Кожен водій знає, як часом стомлює жовтизна звичайних ламп розжарювання в фарах автомобіля. Встановлювати ксенонові лампи небажано, хоча вони і мають низьке споживання і великий термін служби. Через сильний засліплення водіїв зустрічного транспортного потоку зростає ймовірність аварійних ситуацій. Гарне і не надмірно біле світіння дають галогенні лампи.
Їх основний недолік - підвищене енергоспоживання і тепловиділення. Крім того, як і всі лампи на основі нитки розжарювання, вони мають термін служби вдвічі менше ніж ксенонові.
Фізика процесу перегорання нитки розжарювання проста. Всякий провідник при нагріванні збільшує опір проходить току. Нитка розжарювання в робочому режимі розжарюється і забезпечує необхідну потужність світіння. При цьому її опір забезпечує струм в ланцюзі недостатній для плавлення металу нитки. При включенні, опір холодної лампи в 12-13 разів менше робочого і відповідно в стільки ж разів більше електричний струм. Саме в цей момент найчастіше і відбувається перегорання нитки розжарювання.
Ідеально було б плавно збільшувати напругу слідом за розігрівом і відповідно зростанням опору. Ця ідея не нова - в побутових світильниках давно застосовуються електронні пристрої, що забезпечують плавне включення і подовжують термін експлуатації ламп розжарювання. Приклади схем подібних пристроїв можна знайти в інтернеті у великій кількості. Застосовуючи їх для автомобіля, потрібно врахувати, що краще використовувати заміну штатної змінною деталі принципово нової без необхідності переробки основної проводки.
Схема управління фарами з деяким спрощенням представлена на малюнку.
Червоним кольором виділено легкознімний реле, яке і потребує доопрацювання. Зручно що через контакт «30» є завжди харчування +12 В, а через «86» і вимикач світла або через «87» і холодні лампи, з практично нульовим опором, завжди є з'єднання на масу.
Технічні вимоги були висунуті наступні:
• споживання електронного реле при відключеному запалюванні в межах 5-7 мА, що забезпечує невеликий струм витоку для захисту акумулятора від розряду;
• при першому включенні фар повинен забезпечуватися плавний нагрів ниток ламп протягом 10-12 сек .;
• при відключенні світла менш ніж на 0,5 сек. і подальшому його включенні, якщо запалювання не вимикається, затримка повинна становити 0,5 сек. з виходом на 80% потужності плюс 1 сек. для досягнення 100% рівня світіння;
• при включеному двигуні 0,5 сек. підтримується 50% потужність ближнього світла після його відключення.
Останній пункт вимагає пояснень. У скляних колбах ламп моделі H4 суміщені спіралі ближнього і дальнього світла. При цьому схема проводки автомобіля виконана так, що вони можуть включатися тільки поперемінно. Вся конструкція після першого включення підтримується в досить гарячому стані і вже не потрібна велика затримка на розігрів ниток. Це важливо при короткочасному миганні дальнім світлом. Після нього ближнє світло включиться без затримки і не створить незручностей дорожньому руху в темний час доби.
Схема електронного реле
Реалізація ідеї нового реле представлена на схемі.
Тут застосована широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) в управлінні ключовим елементом живлення навантаження. Роль електронного ключа повинен виконувати елемент, що забезпечує комутацію постійної напруги 12 В з номінальним струмом навантаження 12 А і короткочасним імпульсним до 150 А. При цьому необхідно мале падіння потужності на ньому у відкритому стані і напруга управління не більше 5 В з малими струмами, що працюють на слабо ємнісні навантаження.
Обраний транзистор МОП з p-каналом IRF9310 відповідає цим вимогам і має наступні характеристики:
• напруга стік-витік 30 В;
• струм сток-витік 20 А;
• порогове напруга затвор-витік 2,4 В;
• опір відкритого каналу 6,8 мОм;
• вхідні ємність затвора 5250 пФ;
• максимальна розсіює потужність 2,5 Вт.
На схемі це транзистор VT4. Резистор R12 забезпечує його надійне і швидке замикання. Управління ШІМ забезпечує мікроконтролер ATtiny13A з робочою частотою 1,2 МГц. Споживаний мікросхемою струм не перевищує 1 мА. Її максимальний вихідний струм 40 мА забезпечує надійне спрацьовування ключового елемента VT4 і обмежується резистором R11 в межах 33-35 мА.
Харчування -5 В для ATtiny13A забезпечується лінійним стабілізатором 79L05 розрахованому на струм навантаження 100 мА. Конденсатор C2 згладжує пульсації струму в моменти спрацьовування транзистора VT4. Його ємність допускається 1,0-2,2 мкФ. Цей елемент єдиний, який споживає багато енергії у всій схемі - до 6 мА струму спокою.
Постійне харчування +12 В для всієї схеми здійснюється тільки при включеному запалюванні через VT1. Тут застосований польовий n-канальний транзистор IRLML0030. Можна використовувати і інший розрахований на напругу до 20 В при максимальному струмі навантаження 5 А. На масу витік транзистора підключається або через холодні лампи фар і діод VD3 або за допомогою вимикача фар через VD4 і R6.
Сигнали управління мікроконтролера подаються на входи PB3 і PB4. Через VT2 інформується про вимикання запалювання і необхідності вимикання світла фар. Через VT3 подається сигнал про включення фар.
Конденсатор C1 забезпечує, після короткочасного відключення ближнього світла, напруження ламп на рівні 50% протягом 0,5 сек. Використовується танталовий малогабаритний електролітичний конденсатор, розрахований на напругу 35 В. Можна використовувати і меншою ємності - до 10 мкФ.
Режими роботи схеми
Вимкнено запалення і фари - закриті транзистори VT4 і VT1.
Запалювання включено. Відкривається транзистор VT1 сигналом через резистор R1 і діод VD1. Через нього заряджається конденсатор C1 по ланцюгу резистора R4, діода VD3 і холодні лампи фар. Через резистор R2 і діод VD2 на транзистор VT2 подається напруга для його відкриття і на вхід PB4 мікроконтролера подається сигнал про включення запалювання. Контролер переходить в очікування включення ближнього світла фар.
Вмикаються фари ближнього світла. Транзистор VT3 відкривається сигналом через резистор R9 і мікроконтролер на вході PB3 отримує сигнал про включення фар. Контролер включає силовий транзистор VT4, що запалює лампи. За рахунок ШІМ забезпечується їх плавний нагрів, протягом 10-12 сек. Схема переходить на харчування по ланцюгу VD4 і R6.
Вимикається ближнє світло. Резистор R10 закриває транзистор VT3, і мікроконтролер, отримавши сигнал на вході PB3, включає ШІМ в режим 50% нагріву ламп. Конденсатор C1, періодично підзаряджаючись через діод VD3 і фари в моменти перемикання транзистора VT4, утримує VT1 цей час у відкритому стані.
Вимикається запалювання. Через резистор R5 транзистор VT2 закривається. Сигнал на вході PB4 змушує мікроконтролер закрити транзистор VT4 і перейти в режим очікування. Резистор R3 забезпечує закриття транзистора VT1, який обезструмлює конденсатор C1. Світло фар відключається.
Запалення вимкнене при включеному перемикачі ближнього світла. Транзистори VT1 і VT4 в закритому стані забезпечують відключення фар. Витік струму відбувається тільки через R9, R10 в межах 1,7 мА, що не впливає суттєво на розряд акумулятора.
Алгоритми роботи схеми
Повільний нагрів при першому включенні
При цьому відбувається наступне:
• перші 3 сек. плавно наростає світіння ламп до 30% за рахунок роботи ШІМ;
• рівень досягнутого напруження 2 сек. підтримується незмінним для прогріву ламп;
• в наступні 3 сек. плавно підвищується до рівня 80% і фари дають задовільний рівень освітлення;
• за останні 4 сек. досягається 100% потужність
Утримання нагріву після виключення
При відключенні фар протягом 0,5 сек. забезпечується 50% харчування ламп. Потім за 0,5 сек. нагрів плавно падає до нуля.
Швидкий нагрів
Цей режим можливий тільки за умови, що лампи знаходяться в стані 50% потужності розжарення - в утриманні нагріву. При включенні світла плавно за 0,5 сек. досягається потужність 80% - достатня для освітлення дороги. А вже після закінчення 1,5 сек. лампи горять в повну потужність.
У будь-якому випадку при зменшенні потужності розжарення менше 50% лампи гаснуть. Подальше їх включення відбувається по циклу повільного нагріву. Якщо в процесі нагрівання повільного або швидкого вимикач фар розмикається в момент, коли потужність на лампах перевищила 50%, то починається цикл утримання.
Тепловий режим пристрою
Транзистор IRF9310 у відкритому стані має опір всього 6,8 мОм. При струмі 11 А, що споживаються фарами, розсіює потужність не перевищує 0,822 Вт. За специфікації транзистора для відводу тепла потрібна мідна пластинка площею 6,5 см2. У малому обсязі реле це зробити важко і для охолодження використовується ніжка реле, до якої припаюється якомога ближче стік транзистора. При цьому забезпечується прийнятний нагрів до 55-60 ° C.
Програма контролера ATtiny13
Кінцевий автомат, який реалізується програмою, передбачає 6 станів:
1. очікування включення фар при вимкненому запаленні;
2. плавний нагрів;
3. очікування чергового включення світла;
4. швидке нагрівання;
5. повне включення ламп;
6. вимикання з утриманням.
Вибір станів визначається обробкою переривань в момент переповнення таймера. Управління ШІМ реалізовано таймером в режимі phase-correct PWM. Таймер і контролер мають робочу частоту 1,2 МГц, а вихідний сигнал ШІМ становить 2353 Гц. Мікроконтролер при зменшенні харчування нижче 2,7 В переходить в стан скидання. Для цього в настройках задіяна захист по напрузі Brown-out detector. Встановлено затримка 0,064 сек. для повернення автомата в початковий стан після скидання.
Процес виготовлення реле
Фірма Kia застосовує не уніфіковане реле, і воно поставляється в магазини на замовлення за чималі гроші.
Вихідні лапки у нього симетричні. Для котушки і робочих контактів вони розташовані попарно по діагоналях. Тому немає різниці, яким боком вставляти пристрій в посадочні гнізда. Для нового електронного реле важлива полярність підключення, тому на корпусі необхідно зробити мітки для правильної установки. Помилкове положення призведе до виходу з ладу електронної частини.
Штатний реле розбирати не потрібно. Справа в тому, що в цій машині є шунт для опції ходових вогнів в денний час. За формою і підключенню цей шунт-заглушка відповідає реле ближнього світла.
Їх міняють місцями, а доопрацювання цього шунта виконується з меншою витратою сил. Крім того, він коштує недорого і на всякий випадок може бути придбаний в магазинах.
Далі, випилюють металевий шунт, залишаючи лапки для кріплення майбутньої плати.
Сама плата зроблена з двостороннього фольгованого склотекстоліти з розмірами, що дозволяють встановити її в нове реле. Для цих же цілей застосований двосторонній монтаж з використанням малогабаритних радіоелементів. Плата має розміри 19,70 Х 18,00 мм.
Ось її зображення з двох сторін.
Для виготовлення застосована Лазерно-прасувальні Технологія (ЛУТ). Для шаблону використана глянцевий папір, на якому друкується малюнок лазерним принтером. Розводка доріжок переноситься на спустошену дрібним наждачним папером знежирену поверхню текстоліту за допомогою гарячої праски.
Після травлення, свердління і лудіння плата має такий вигляд.
При лудінні потрібно дотримуватися обережності, то б не перегріти і не пошкодити доріжки. Краще використовувати мінімальний нагрів паяльника і припій з низькою температурою плавлення - ПОСВ 33, сплав Розе або Вуда.
На плату припаиваются радіоелементи.
Потім вона встановлюється в корпус реле.
Зверху на корпусі необхідно встановити мітку для правильної установки в автомобіль.
Для виготовлення використовуються радіоелементи:
• мікроконтролер AVR - ATtiny13A;
• стабілізатор 79L05 (MC79L05ACD);
• транзистори VT1, VT2, VT3, VT4 - IRLML0030, 2N7002, IRLML5103, IRF9310 відповідно;
• діоди BAS321;
• конденсатор C1 - танталовий електролітичний 10-22 мкФ на 35 В;
• конденсатор C2 - керамічний 1,0-2,2 мкФ;
• резистори ОМЛТ 5% 0.125Вт.
Для реалізації роботи пристрою за необхідним алгоритмом необхідно перед установкою на плату запрограмувати мікроконтролер прошивкою. Програмування здійснюється будь-яким програматором, який підтримує мікросхему ATtiny13A. З промислових підійдуть, наприклад, моделі PICPROG, ChipProg + або «Майстер».
Роздруківку друкованої плати зручно робити через програму Sprint-Layout. Схема розведення плати для цієї програми представлена в цьому файлі.
Ідея плавного включення фар може бути застосована на будь-якому автомобілі. Потрібно тільки скорегувати технічні рішення відповідно до застосовуваної електронікою.