Блок управления лампами головного света STX-LAMPCON

Введя в поисковик фразу «плавный розжиг фар», можно изумиться количеству предложений от «сделай сам», до готовых устройств предлагаемых, например, на DRIVE2. В тоже время изделий фабричного производства практически нет, причина достаточно проста – они редко кому нужны.

А для чего же нужен этот самый плавный розжиг? Ответов не много:
— при включении ламп, нить накала холодная, соответственно ток, проходящий через нее значительно больше рабочего, что может привести к выходу лампы из строя;
— понты.

От себя добавлю еще один пункт – в некоторых ТС буржуйского производства, фары включаются при повороте ключа. С одной стороны, это хорошо – не забудешь его включить, а с другой, бывают ситуации, когда свет совсем лишний – разъезды во дворах, прогрев мотора и т.п..

Вот эти пункты и ставил перед собой проектируя новую приблуду. Структурная схема рисовалась очень простой:

PIC_`1

Измерив рабочий и «пусковой» ток автомобильной лампы накаливания, был озадачен. Для лампы 60/55Вт с цоколем H4, пиковый стартовый ток составил около 100 Ампер, рабочий ток при этом 4.5-5А.

PIC_2

Соответственно для двух ламп пиковый ток составит 200А, что предъявляет к ключевому элементу серьезные требования, а так же требует от него минимального сопротивления во включенном состоянии. По этой причине отпадали практически все (быстро- и легкодоступные) P-канальные транзисторы.

Пораскинув мозгами, решил внедрить в схему N-канальный транзистор (нашел на рынке IRF1405). Для управления затвором, транзистор требует схему вольтдобавки.

PIC_3

Для схемы вольдобавки применил дискретный индуктивный преобразователь напряжения, работающий от микроконтроллера.

В процессе разработки в голову пришла мысль об автоматическом включении фар после запуска двигателя. Что бы ни городить огород с глубоким врезанием в проводку, решил диагностировать работу мотора по напряжению бортсети. Забегая вперед, скажу, что решение себя полностью оправдало. Схема еще усложнилась:

PIC_4

Так же добавляем тактовую кнопку для переключения режима работы и индикатор для отображения состояния блока:

PIC_5

По приведенной структурной схеме был собран макетный образец. По размерам, достаточно компактный блочек:

PIC_6

Испытания показали работоспособность и достаточно малое тепловыделение блока, которое несколько превышало расчетное в 0.5Вт.  После проверки, было решено сделать аналогичный, но более презентабельный вариант.

PIC_7

PIC_8

Подключение блока

Головной свет в автомобиле, как правило, включается через реле, которое управляется в зависимости от режима работы освещения, работы двигателя и т.п.. Вот очень упрощенно-обобщенная схема включения ламп головного света:

PIC_9

Поворотом ключа в замке зажигания или выключателем, включается реле и загораются лампы. При запуске двигателя, реле и лампы (а так же почти все потребители не участвующие в запуске двигателя) отключаются, что бы максимум энергии передать на стартер. Выключателем, свет можно принудительно включить/выключить.

Блок подключается непосредственно между реле и лампами накаливания. Таким образом, он не потребляет энергию при выключенном свете. Выключатель света можно убрать из системы.

PIC_10

Функционирование

Для управления блоком устанавливается кнопка и светодиод. По нажатию кнопки переключается режим работы и индицируется светодиодом.

Режимы работы блока заложены следующие:
1. По включению питания (повороту ключа в положение ON), лампы включаются на 10%. По нажатию кнопки, циклически меняется:
— 100% — светодиод не горит;
— 0% — светодиод горит постоянно;
— 10% — светодиод мигает;
2. После запуска двигателя, лампы включаются на 20%. Через 30 секунд, после запуска, яркость плавно поднимется (в течении нескольких секунд) до 100%. По нажатию кнопки, циклически меняется:
— 100% — светодиод не горит;
— 20% — светодиод мигает;

После выключения двигателя, блок находится в режиме 2. Переход в режим 1, может быть выполнен только отключением питания.

Если кнопка и светодиод не устанавливаются — блок будет выполнять только функции плавного включения ламп и полного, автоматического их включения после запуска двигателя.

Размеры и конструктив

PIC_11

Так как транзистор достаточно неплохо нагревается (при 2-х лампах в нагрузке), то крайне рекомендую установить на него небольшой радиатор. К примеру, алюминиевая пластина с размерами платы и толщиной в 1-2мм, полностью решает проблему.

Если же лампа одна, то необходимости в теплоотводе нет. Транзистор может быть установлен с другой стороны и через изолятор прикручен к поверхности платы.

Так же, в зависимости от места установки, нужно озаботиться о покрытии лаком и защите от механических воздействий.

Параметры

Напряжение питания 11.2-14.8В
Собственный ток потребления 20мА
Частота модуляции 230Гц
Измеренное падение напряжения между точками монтажа проводов (+12V – LAMP), через 1мин. работы при токе нагрузки 10А 55мВ

Размещение

При работе блока силовой транзистор может нагреваться до 50 градусов (при окружающей температуре в 30 и при подключении 2-х ламп 60/55Вт), т.е. размещать блок нужно так, что бы дополнительно его ничего не нагревало. А еще, как и любое другое устройство, он может сломаться, соответственно, должен быть быстрый доступ, что бы ни остаться без света в дороге.

Как и положено, все свои придумки проверяю на себе, точнее на своих подопечных. Поэтому, с уверенность могу сказать — устройство получилось жизнеспособным, а сам блок, достаточно удобным в работе. Ни одна из ламп за 3 месяца работы не сгорела, а выключение света реально пригождалось в различных ситуациях.

Файлы

Файлы проекта выкладываю как есть — все делаете на свой страх и риск. При неправильном монтаже, подборе компонентов или переделке платы, устройство может задымиться, а как максимум может и загореться!

Схема и плата в формате PCAD2006, файл прошивки для микроконтроллера PIC12F752 – STX-LAMPCON.zip.

В продолжение темы

При замерах цифирных параметров блока и неожиданно для себя натолкнулся на интересный момент: потери напряжения на элементах монтажа и на радиоэлементах.

Исходные данные:
— корпус транзистора TO220AB;
— ток нагрузки 10А+0.1А;
— напряжение питания 12В.

Вначале меня интересовало падение напряжения на транзисторе, но впоследствии промерил все ключевые точки. За нулевую, взял точку подпайки провода к плате (+12V), значения напряжений приведено на рисунке:

PIC_12

Суммарное падение напряжения в блоке, составляет 54.8мВ, что при рабочем токе дает 0.55Вт мощности. Расчетные значения потерь на транзисторе, должны составлять 0.46-0.53Вт.

К чести производителя транзистора, он указал падение напряжения для случая монтажа к тонким частям выводов – т.е.  (51.9мВ-3.5мВ)/10А=4.84мОм (паспортные данные 4.6-5.3мОм). Но даже такое падение напряжения приведет к разогреву транзистора (без радиатора) на 30°С к окружающей температуре, что приведет к еще большему его тепловыделению.

Падение напряжения на дорожках и наружных выводах транзистора не столь велики, но если представить что провода подпаяли напрямик к его выходам, то суммарное падение напряжения удалось бы снизить примерно на 10мВ.

Примерно половина из этих 10мВ, потери на выводах транзистора, которые частично уходят в виде тепла в плату, воздух и «обратно в транзистор». Вот, к примеру, как выглядят выводы транзистора IRF9540:

PIC_13

Выводы сделаны широкими, что бы отводить тепло от кристалла, а тут. Т.е. если убрать потери на выводах, то можно получить «охлаждение» корпуса на 1-2°С.

Резюмируя вышеприведенную информацию, предложу ряд конструктивных решений, позволяющих снизить потери.
1. Усиление дорожек печатной платы. Для этого дорожки делаются максимально широкими и короткими, а так же не лишним будет убирать над ними маску.

2. Монтаж транзистора (другого силового элемента) как можно ближе к площадкам платы. Возможно так же делать «наплыв» припоя на выводы, для устранения «узких» выводов.

3. Лужение выводов силовых элементов. Это несколько повысит сечение вывода элемента.

4. Электрический монтаж за фланец элемента. Фланец транзистора и центральный вывод представляет собой одну деталь и, тем не менее, даже на этом переходе получаем потери.

Рекомендации и рекомендации, ясно-понятно что уже для мелкосерийного производства замучаешься пояснения для технологов и сборщиков писать. В этом случае спасет только изменение печатной платы и изменение элементной базы.

 

Ответить