Содержание
Как известно, лампы накаливания перегорают в основном в момент включения. Связано это с тем, что электрическое сопротивление холодной нити накаливания лампы намного меньше сопротивления раскаленной нити. Поэтому, в момент включения, через нить проходит ток, значительно превышающий номинальную величину. Если лампа уже не новая и ее нить со временем стала тоньше, этого повышенного тока достаточно, чтобы в момент включения лампа перегорела.
Для продления срока службы ламп накаливания необходимо обеспечить плавный разогрев нити лампы накаливания, путем постепенного увеличения подаваемого на лампу напряжения. Сделать это можно, включив в цепь питания лампы устройство "плавного пуска".
В Интернете можно найти множество схем для обеспечения плавного включения ламп. В продаже есть и готовые решения, например, реле 405.3787-02, выпускаемое ЗАО "Энергомаш", г. Калуга (фото 2, 3):
Данное реле обеспечивает плавное повышение напряжения питания на нагрузке от нуля до номинальных 12В в течение 1 секунды. При выключении, напряжение также плавно снижается до нуля в течение 1 секунды. Максимальный ток потребления нагрузки составляет 25А (фото 4, 5). Ток потребления стандартной автомобильной галогенной лампы 12В/55Вт составляет около 5А. Как видим, характеристик реле 405.3787-02 с запасом хватает, чтобы обеспечить плавный розжиг до четырех ламп головного света.
Каждый водитель знает, как порой утомляет желтизна обычных ламп накаливания в фарах автомобиля. Устанавливать ксеноновые лампы нежелательно, хотя они и имеют низкое потребление и большой срок службы. Из-за сильного ослепления водителей встречного транспортного потока возрастает вероятность аварийных ситуаций. Хорошее и не чрезмерно белое свечение дают галогенные лампы.
Их основной недостаток – повышенное энергопотребление и тепловыделение. Кроме того, как и все лампы на основе нити накаливания, они имеют срок службы вдвое меньше чем ксеноновые.
Физика процесса перегорания нити накаливания проста. Всякий проводник при нагревании увеличивает сопротивление проходящему току. Нить накаливания в рабочем режиме раскаляется и обеспечивает необходимую мощность свечения. При этом её сопротивление обеспечивает ток в цепи недостаточный для плавления металла нити. При включении, сопротивление холодной лампы в 12–13 раз меньше рабочего и соответственно во столько же раз больше электрический ток. Именно в этот момент чаще всего и происходит перегорание нити накаливания.
Идеально было бы плавно увеличивать напряжение вслед за разогревом и соответственно возрастанием сопротивления. Эта идея не нова – в бытовых светильниках давно применяются электронные устройства, обеспечивающие плавное включение и продлевающие срок эксплуатации ламп накаливания. Примеры схем подобных устройств можно найти в интернете в большом количестве. Применяя их для автомобиля, нужно учесть, что лучше использовать замену штатной сменной детали принципиально новой без необходимости переделки основной проводки.
Эта идея была осуществлена на автомобиле марки KIA Cerato LD выпуска 2008 г. с галогенными лампами Philips CrystalVision H4 простой заменой штатного реле управления ближним светом на доработанный аналог в соответствии с новыми требованиями.
Схема управления фарами с некоторым упрощением представлена на рисунке.
Красным цветом выделено легкосъемное реле, которое и требует доработки. Удобно что через контакт «30» есть всегда питание +12 В, а через «86» и выключатель света или через «87» и холодные лампы, с практически нулевым сопротивлением, всегда есть соединение на массу.
Технические требования были выдвинуты следующие:
• потребление электронного реле при отключенном зажигании в пределах 5–7 мА, обеспечивающее небольшой ток утечки для защиты аккумулятора от разряда;
• при первом включении фар должен обеспечиваться плавный нагрев нитей ламп в течение 10–12 сек.;
• при отключении света менее чем на 0,5 сек. и последующем его включении, если зажигание не выключалось, задержка должна составлять 0,5 сек. с выходом на 80% мощности плюс 1 сек. для достижения 100% уровня свечения;
• при включенном двигателе 0,5 сек. поддерживается 50% мощность ближнего света после его отключения.
Последний пункт требует пояснения. В стеклянных колбах ламп модели H4 совмещены спирали ближнего и дальнего света. При этом схема проводки автомобиля выполнена так, что они могут включаться только попеременно. Вся конструкция после первого включения поддерживается в достаточно горячем состоянии и уже не требуется большая задержка на разогрев нитей. Это важно при кратковременном мигании дальним светом. После него ближний свет включится без задержки и не создаст неудобств дорожному движению в тёмное время суток.
Схема электронного реле
Реализация идеи нового реле представлена на схеме.
Здесь применена широтно-импульсная модуляция (ШИМ) в управлении ключевым элементом питания нагрузки. Роль электронного ключа должен выполнять элемент, обеспечивающий коммутацию постоянного напряжения 12 В с номинальным током нагрузки 12 А и кратковременным импульсным до 150 А. При этом необходимо малое падение мощности на нём в открытом состоянии и напряжение управления не более 5 В с малыми токами, работающими на слабо ёмкостную нагрузку.
Выбранный транзистор МОП с p-каналом IRF9310 отвечает этим требованиям и имеет следующие характеристики:
• напряжение сток-исток 30 В;
• ток сток-исток 20 А;
• пороговое напряжение затвор-исток 2,4 В;
• сопротивление открытого канала 6,8 мОм;
• входная ёмкость затвора 5250 пФ;
• максимальная рассеиваемая мощность 2,5 Вт.
На схеме это транзистор VT4. Резистор R12 обеспечивает его надёжное и быстрое запирание. Управление ШИМ обеспечивает микроконтроллер ATtiny13A с рабочей частотой 1,2 МГц. Потребляемый микросхемой ток не превышает 1 мА. Её максимальный выходной ток 40 мА обеспечивает надёжное срабатывание ключевого элемента VT4 и ограничивается резистором R11 в пределах 33–35 мА.
Питание -5 В для ATtiny13A обеспечивается линейным стабилизатором 79L05 рассчитанном на ток нагрузки 100 мА. Конденсатор C2 сглаживает пульсации тока в моменты срабатывания транзистора VT4. Его емкость допускается 1,0–2,2 мкФ. Этот элемент единственный, который потребляет много энергии во всей схеме – до 6 мА тока покоя.
Постоянное питание +12 В для всей схемы осуществляется только при включенном зажигании через VT1. Здесь применён полевой n-канальный транзистор IRLML0030. Можно использовать и другой рассчитанный на напряжение до 20 В при максимальном токе нагрузки 5 А. На массу исток транзистора подключается или через холодные лампы фар и диод VD3 или посредством включателя фар через VD4 и R6.
Сигналы управления микроконтроллера подаются на входы PB3 и PB4. Через VT2 информируется о выключении зажигания и необходимости выключения света фар. Через VT3 подаётся сигнал о включении фар.
Конденсатор C1 обеспечивает, после кратковременного отключения ближнего света, накал ламп на уровне 50% в течение 0,5 сек. Используется танталовый малогабаритный электролитический конденсатор, рассчитанный на напряжение 35 В. Можно использовать и меньшей ёмкости – до 10 мкФ.
Режимы работы схемы
Выключено зажигание и фары – закрыты транзисторы VT4 и VT1.
Зажигание включено. Открывается транзистор VT1 сигналом через резистор R1 и диод VD1. Через него заряжается конденсатор C1 по цепи резистора R4, диода VD3 и холодные лампы фар. Через резистор R2 и диод VD2 на транзистор VT2 подаётся напряжение для его открытия и на вход PB4 микроконтроллера подаётся сигнал о включении зажигания. Контроллер переходит в ожидание включения ближнего света фар.
Включаются фары ближнего света. Транзистор VT3 открывается сигналом через резистор R9 и микроконтроллер на входе PB3 получает сигнал о включении фар. Контроллер включает силовой транзистор VT4, зажигающий лампы. За счёт ШИМ обеспечивается их плавный нагрев, в течение 10–12 сек. Схема переходит на питание по цепи VD4 и R6.
Выключается ближний свет. Резистор R10 закрывает транзистор VT3, и микроконтроллер, получив сигнал на входе PB3, включает ШИМ в режим 50% нагрева ламп. Конденсатор C1, периодически подзаряжаясь через диод VD3 и фары в моменты переключения транзистора VT4, удерживает VT1 это время в открытом состоянии.
Выключается зажигание. Через резистор R5 транзистор VT2 запирается. Сигнал на входе PB4 заставляет микроконтроллер закрыть транзистор VT4 и перейти в ждущий режим. Резистор R3 обеспечивает закрытие транзистора VT1, который обесточивает конденсатор C1. Свет фар отключается.
Зажигание выключено при включенном переключателе ближнего света. Транзисторы VT1 и VT4 в закрытом состоянии обеспечивают отключение фар. Утечка тока происходит только через R9, R10 в пределах 1,7 мА, что не влияет существенно на разряд аккумулятора.
Алгоритмы работы схемы
Медленный нагрев при первом включении
При этом происходит следующее:
• первые 3 сек. плавно нарастает свечение ламп до 30% за счёт работы ШИМ;
• уровень достигнутого накала 2 сек. поддерживается неизменяемым для прогрева ламп;
• в следующие 3 сек. плавно повышается до уровня 80% и фары дают удовлетворительный уровень освещения;
• за последние 4 сек. достигается 100% мощность
Удержание нагрева после выключения
При отключении фар в течение 0,5 сек. обеспечивается 50% питания ламп. Затем за 0,5 сек. нагрев плавно падает до нуля.
Быстрый нагрев
Этот режим возможен только при условии, что лампы находятся в состоянии 50% мощности накала – в удержании нагрева. При включении света плавно за 0,5 сек. достигается мощность 80% – достаточная для освещения дороги. А уже по истечении 1,5 сек. лампы горят в полную мощность.
В любом случае при уменьшении мощности накала менее 50% лампы гаснут. Последующее их включение происходит по циклу медленного нагрева. Если в процессе нагрева медленного или быстрого выключатель фар размыкается в момент, когда мощность на лампах превысила 50%, то начинается цикл удержания.
Тепловой режим устройства
Транзистор IRF9310 в открытом состоянии имеет сопротивление всего 6,8 мОм. При токе 11 А, потребляемым фарами, рассеиваемая мощность не превышает 0,822 Вт. По спецификации транзистора для отвода тепла нужна медная пластинка площадью 6,5 см2. В малом объёме реле это сделать затруднительно и для охлаждения используется ножка реле, к которой припаивается как можно ближе сток транзистора. При этом обеспечивается приемлемый нагрев до 55–60 °C.
Программа контроллера ATtiny13
Конечный автомат, реализуемый программой, предусматривает 6 состояний:
1. ожидание включения фар при выключенном зажигании;
2. плавный нагрев;
3. ожидание очередного включения света;
4. быстрый нагрев;
5. полное включение ламп;
6. выключение с удержанием.
Выбор состояний определяется обработкой прерываний в момент переполнения таймера. Управление ШИМ реализовано таймером в режиме phase-correct PWM. Таймер и контроллер имеют рабочую частоту 1,2 МГц, а выходной сигнал ШИМ составляет 2353 Гц. Микроконтроллер при уменьшении питания ниже 2,7 В переходит в состояние сброса. Для этого в настройках задействована защита по напряжению Brown-out detector. Установлена задержка 0,064 сек. для возвращения автомата в исходное состояние после сброса.
Процесс изготовления реле
Фирма Kia применяет не унифицированное реле, и оно поставляется в магазины по заказу за немалые деньги.
Выходные лапки у него симметричны. Для катушки и рабочих контактов они расположены попарно по диагоналям. Поэтому нет разницы, какой стороной вставлять устройство в посадочные гнёзда. Для нового электронного реле важна полярность подключения, поэтому на корпусе необходимо сделать метки для правильной установки. Ошибочное положение приведёт к выходу из строя электронной части.
Штатное реле разбирать не нужно. Дело в том, что в этой машине есть шунт для опции ходовых огней в дневное время. По форме и подключению этот шунт-заглушка соответствует реле ближнего света.
Их меняют местами, а доработка этого шунта выполняется с меньшей затратой сил. Кроме того, он стоит недорого и на всякий случай может быть приобретён в магазинах.
Далее, выпиливают металлический шунт, оставляя лапки для крепления будущей платы.
Сама плата сделана из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита с размерами, позволяющими установить её в новое реле. Для этих же целей применён двухсторонний монтаж с использованием малогабаритных радиоэлементов. Плата имеет размеры 19,70 Х 18,00 мм.
Вот её изображение с двух сторон.
Для изготовления применена Лазерно-Утюжная Технология (ЛУТ). Для шаблона использована глянцевая фотобумага, на которой печатается рисунок лазерным принтером. Разводка дорожек переносится на зачищенную мелкой наждачной бумагой обезжиренную поверхность текстолита посредством горячего утюга.
После травления, сверления и лужения плата имеет следующий вид.
При лужении нужно соблюдать осторожность, то бы не перегреть и не повредить дорожки. Лучше использовать минимальный нагрев паяльника и припой с низкой температурой плавления – ПОСВ 33, сплав Розе или Вуда.
На плату припаиваются радиоэлементы.
Затем она устанавливается в корпус реле.
Сверху на корпусе необходимо установить метку для правильной установки в автомобиль.
Для изготовления используются радиоэлементы:
• микроконтроллер AVR – ATtiny13A;
• стабилизатор 79L05 (MC79L05ACD);
• транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4 – IRLML0030, 2N7002, IRLML5103, IRF9310 соответственно;
• диоды BAS321;
• конденсатор C1 – танталовый электролитический 10–22 мкФ на 35 В;
• конденсатор C2 – керамический 1,0–2,2 мкФ ;
• резисторы ОМЛТ 5% 0.125Вт.
Для реализации работы устройства по требуемому алгоритму необходимо перед установкой на плату запрограммировать микроконтроллер прошивкой. Программирование осуществляется любым программатором, который поддерживает микросхему ATtiny13A. Из промышленных подойдут, например, модели PICPROG, ChipProg+ или «Мастер».
Распечатку печатной платы удобно производить через программу Sprint-Layout. Схема разводки платы для этой программы представлена в этом файле.
Текст используемой программы контроллера находится по адресу. Его можно открыть программой Atmel Studio 6.0.
Идея плавного включения фар может быть применена на любом автомобиле. Нужно только скорректировать технические решения в соответствии с применяемой электроникой.
Приветствую!
Как известно, лампы накаливания перегорают в момент включения. Из-за того, что холодная нить в лампе имеет небольшое сопротивление, в момент включения через эту нить начинает течь большой ток, который и разрушает ее. Вариант защиты нити как бы напрашивается сам собой: нужно постепенно нагревать нить лампы перед тем, как подать на нее все напряжение, на которое она рассчитана. Далее речь пойдет про плавное включение автомобильных ламп.
Перед тем, как сделать такое устройство, я перечитал много похожих тем в интернете про плавное включение. Предлагается куча вариантов решения. Чаще всего в устройствах используют Р-канальный полевой транзистор.
При одинаковых характеристиках Р-канальный транзистор дороже N-канального. К тому же N-канальный транзистор можно найти с меньшим сопротивлением в открытом состоянии, чем P-канальный. Но т.к. в большинстве автомобилей лампы управляются плюсом (один вывод лампы постоянно соединен с минусом (корпусом автомобиля), а на второй вывод подается плюс питания, когда нужно включить лампу), то применение N-канальных полевых транзисторов затруднительно.
Почему затруднительно применить N-канальный транзистор?
Немного теории. Полевой транзистор в открытом состоянии имеет очень малое сопротивление канала. А чем меньше сопротивление, тем меньше потери при коммутации больших токов. Но для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нужно приложить к его затвору определенное (пороговое) напряжение (Vgsth) относительно истока.
Величина этого напряжения составляет около 10-15 В. Есть транзисторы с величиной этого напряжения 4,5-5 В (логический уровень). Для N-канальных транзисторов это напряжение положительное, для их собратьев отрицательное. В даташите на транзистор сопротивление канала сток-исток (когда канал полностью открыт) указывается для порогового напряжения. При напряжении, меньше порогового, сопротивление канала больше.
Существуют два вида включения полевого транзистора (когда он используется в режиме ключа): включение в качестве верхнего ключа и в качестве нижнего ключа. Если в автомобиле лампы включаются плюсом (минус подключен постоянно), то чтобы использовать N-канальный транзистор, его нужно включить верхним ключом (в верхнее плечо схемы).
В этом случае для того, чтобы открыть транзистор, нужно на его затвор подать напряжение, больше напряжения питания схемы, т.к. исток подключен к общей шине через нагрузку (лампу). Чтобы подать на затвор напряжение, больше напряжения питания, используют схемы вольтодобавки (бутстрепный конденсатор и диод). Но чтобы эта схема работала, ее нужно питать импульсным напряжением. Поэтому удобнее использовать P-канальный полевой транзистор, т.к в этом случае (когда коммутируется плюс) исток транзистора подключен непосредственно к шине питания.
Чтобы осуществить плавное включение ламп, применяют несколько способов. Вот некоторые из них:
1.Самый простой – включить параллельно лампе обмотку реле, а последовательно с лампой – мощный резистор сопротивлением около 1 Ома. При такой схеме лампы сначала загораются примерно вполнакала, затем срабатывает реле, и своими контактами шунтирует резистор. Лампы светят по полной.
2. Похожий на предыдущий способ, только вместо резистора последовательно с лампой включается NTC термистор 2-5 Ом, который нагреваясь, уменьшает свое сопротивление, напряжение на лампе увеличивается, срабатывает реле и шунтирует термистор.
3. Полевой транзистор и конденсатор.
Суть данного способа в том, что в цепи затвора транзистора установлен конденсатор, который при подаче питания постепенно заряжается. Растет напряжение на конденсаторе, и транзистор постепенно открывается, увеличивая ток через нагрузку. Происходит плавное включение ламп.
Большой минус данного решения заключается в нагреве транзистора. Напряжение на затворе транзистора увеличивается медленно. Пока напряжение не достигнет порогового значения сопротивление канала транзистора достаточно велико. Т.к. сопротивление холодной лампы очень маленькое, то через лампу и канал сток-исток идет большой ток. Поэтому транзистор нагревается.
4. Полевой транзистор, управляемый ШИМ-сигналом.
При таком управлении транзистор открывается на определенное время, потом снова закрывается. И так по кругу. При большой частоте такие включения/выключения незаметны для глаз. Чем больше длительность открытого состояния транзистора, тем ярче светит лампа.
Минусы в том, что нагрузка работает в импульсном режиме, а это значит помехи в сеть питания автомобиля, неполная отдача мощности в лампу (т.к. включение чередуется с выключением. Пусть это незаметно визуально, но теоретически яркость ламп меньше, чем при постоянно включенных).
На основании всего этого решил сделать свое устройство с блэк джеком и…:) Устройство плавного включения ламп.
Общий принцип работы схемы такой: при подаче питания с помощью ШИМ-сигнала постепенно открывается транзистор VT3. Как только ШИМ достигает максимального значения (плавное включение ламп), с помощью транзистора VT1 срабатывает реле и своими контактами шунтирует переход транзистора VT3.
Почему реле 5-вольтовое? Пробовал схему с реле 12 В, но из-за того, что в бортовой сети автомобиля напряжение (при работающем двигателе и исправной цепи заряда) больше 12 (14 В), обмотка реле нагревается. Поэтому отказался от 12-вольтового реле.
Устройство включается в разрыв цепи между выключателем ближнего света и лампами. Можно подключить к блоку предохранителей, а предохранители установить непосредственно на проводах.
Также в схему добавлено измерение напряжения сети. При включении выключателя ближнего света, если напряжение меньше 12.2 В (двигатель не запущен или нет заряда аккумулятора), свет не включается. Удобная функция, если в авто нет сигнализации о включенных фарах при неработающем двигателе. т.е. если приехали, заглушили двигатель, забыли выключить фары, устройство отключит их. Свет включается только, если напряжение выше 12.7 В. Перед отключением сделана задержка 4 с, чтобы свет не выключался от кратковременных просадок напряжения.
Также фары выключатся, если напряжение превысит 15.4 В.
Хотя последняя функция спорная, т.к. при неисправном регуляторе напряжения, если напряжение в сети повышается выше допустимого, лучше наоборот нагрузить сеть, что позволит немного уменьшить напряжение. Но я решил, что можно защитить лампы от перенапряжения.
Потребляет устройство около 6.6 мА (лампы отключены).
Двусторонняя плата получилась размером 24х50 мм.
