Электрика: плавное включение света фар

Это будет ещё один вариант схемы плавного включения фар.

Для начала немножко теории.

Многие, наверное, замечали, что перегорание ламп накаливания в подавляющем большинстве случаев приходится на момент их включения. Отчего же это происходит?

Виноват в этом, разумеется, Георг Ом со своим законом. Дело в том, что сопротивление холодной нити лампы в 10-12 раз ниже, чем в разогретом состоянии. По закону Ома, ток в цепи обратно пропорционален сопротивлению: I = U / R. Значит ток в цепи каждой лампы тоже в момент включения в 10-12 раз выше номинального, то есть, для стандартной лампы 55Ватт он может достигать 60 Ампер! Но в течение каких-то сотых долей секунды нить нагревается, сопротивление увеличивается и ток падает до номинального уровня. Обычно этот момент проходит так быстро, что ничуть не вредит ни реле, ни предохранителю, которые подводят ток к двум лампам и рассчитаны на ток куда ниже 120 Ампер.Рассмотрим чуточку подробнее, что же страшного может случиться в этот краткий миг включения. Для этого рассмотрим нить лампы под электронным микроскопом:

Спиралька не идеальная, какие-то участки её оказываются потоньше, какие-то потолще.

Очевидно, теплоёмкость тонких участков оказывается меньше, а значит, при таком же протекающем токе, они быстрее нагреваются.

Как было упомянуто ранее, сопротивление нагретой спирали больше сопротивления холодной. Ток, как мы знаем, одинаков во всех участках цепи, а по тому же закону того же Георга, падение напряжения на участке цепи равно произведению значений силы тока и сопротивления этого участка. U = I * R. Это значит, что падение напряжения на втором, "тонком" участке будет больше чем на других.Мощность высчитывается как произведение тока на напряжение: P = I * U. А это значит что на этом самом тоненьком участке цепи будет рассеиваться самая большая мощность.В результате, пока соседние участки не спешa нагреваются, тоненький отрезок спирали успеет немного выгореть и стать ещё тоньше к следующему включению лампы. А значит при следующем включении различие в нагреве разных участков спирали будет ещё более выраженным. Ситуация будет ухудшаться с каждым включением, пока не произойдёт:

Что же делать?

Выход прост: ограничить рассеиваемую мощность, уменьшив ток в цепи. Существует несколько разных вариантов как этого добиться, и самые распространённые из них это:

1. Использование NTC термистора и реле. Термистор около 2-5 Ом (при 25 градусах) включается последовательно с лампой, и часть мощности рассеивается на нём, нагреваясь он уменьшает своё сопротивление, в то время как лампа — плавно разгорается и увеличивает сопротивление. Через некоторое время падение напряжения на лампе окажется достаточным, чтобы замкнуть обмотку включенного параллельно с ней реле. Контакты реле замыкают термистор, исключая его из цепи и передавая тем самым всю мощность лампе.

2. Использование мощного полевого транзистора с конденсатором на затворе. Принцип аналогичен предыдущему. Но вместо термистора ток ограничивается полевым транзистором, затвор которого медленно заряжается, и ток в цепи плавно повышается. При этом на транзисторе в момент включения рассеивается значительное количество тепла, что требует его охлаждения. Однако в полностью открытом состоянии, за счёт низкого сопротивления сток-исток, почти вся мощность идёт на лампу, в результате дополнительное реле не требуется.

3. Широтно-импульсная модуляция. Этот вариант отличается от предыдущих тем, что управляющая схема не ограничивает ток, что уменьшает рассеиваемую на ней мощность, а значит и требования к охлаждению. Вместо этого схема при помощи того же полевого транзистора подаёт ток краткими импульсами, длительностью в несколько десятков микросекунд. За такое короткое время участки нити не успевают нагреться до опасных значений, а в те моменты когда ток через цепь не идёт, тепло с более нагретых участков нити успевает перераспределиться на менее нагретые участки, в результате чего сопротивление разных участков цепи выравнивается.

Именно этот вариант я выбрал для реализации.

Вот что мне хотелось добиться от своей схемы плавного включения света:

1) Распознавание первого включения после включения зажигания. У меня на машине лампы H4 — ближний и дальний в одной колбе. Если зажигание только включено, то свет должен разгораться плавно, чтобы плавно разогреть холодные спираль и колбу. Зато, если зажигание не выключалось, а ближний свет был выключен и включен снова — а такое происходит при включении дальнего света — разогрев должен происходить быстрее, дабы дорога была освещена.

2) Удержание в пол-накала в течение секунды после выключения. В моменты мигания дальним светом, ближний также выключается. Такой алгоритм поможет нити лишний раз не остывать и быстро вернуть свет на прежний уровень.

3) Максимальное снижение энергопотребления схемой при отключении зажигания. Токи утечки должны быть минимальными.

4) Схема должна быть собрана в корпусе штатного реле. Схема не должна требовать вмешательства в проводку, дополнительных проводочков-подключений и полностью заменять штатное реле, а при необходимости — быть заменённой обратно простой перестановкой реле.

Схема подключения штатного реле

Определившись с требованиями, я стал изучать, как подключено штатное реле

Оказалось, в моей машинке выключатель света замыкает минусовой провод обмотки, а реле зажигания — плюсовой.

Очевидно, что при выключении света, будет отключен также и "минус" для питания схемы. Однако, согласно моим хотелкам, схема должна продолжать работать в этой ситуации, мало того — даже держать фары включенными в пол-накала! Идея заключается в том, чтобы брать "минус" для питания схемы с фар.

Схема электронного реле

В итоге родилась такая схема:

Логика управления реализуется микроконтроллером ATtiny13A. Для питания используется линейный стабилизатор 79L05 отрицательного напряжения -5 Вольт, то есть у всей схемы общим является "плюс".

VD3 и VD4 обеспечивают схему "минусом". Это "быстрые" диоды. Пока выключатель света замкнут, минус идёт с него. Когда он разомкнут, микроконтроллер управляет фарами в режиме широтно-импульсной модуляции. В моменты, пока транзистор закрыт, "минус" появляется через лампы фар.

VT4 — силовой pMOSFET, который и подаёт ток на фары. IRF9310 хоть мал и невзрачен на вид, но сопротивление сток-исток у него в открытом состоянии максимум 6,8 миллиОма. Он легко тянет 20 Ампер, а импульсами и все 160.

VT1 — этот друг обесточивает схему, когда зажигание выключено. Благодаря ему потребление тока в выключенном состоянии меньше микроампера.

C1 — конденсатор питает схему в те моменты когда выключатель света разомкнут, а транзистор VT4 открыт. Схема уверено работает и при 15 микрофарадах.

R4 — нужен чтобы снизить ток, который хлынет в разряженный C1 при первом включении. Это снизит нагрузку на транзистор и на сам конденсатор. R6 — позволяет ещё дополнительно снизить ток через выключатель.

VT2 — нужен для информирования МК о том что зажигание выключено и конденсатор вот-вот разрядится. В открытом состоянии он замыкает вывод PB4 микроконтроллера на линию -5 Вольт. В закрытом, вывод PB4 микроконтроллера подтягивается к "питанию" встроенным резистором. На его месте можно было бы использовать простой диод, катодом идущий на вход микроконтроллера, а сам вход подтянуть к "GND" резистором. Однако возможна ситуация когда на линиях зажигания и питания фар окажется значительная разность потенциалов — например, при повреждении реле фар. В этом случае такое подключение убило бы микроконтроллер. Использование транзистора немного усложняет схему, но зато исключает подобные казусы.

VT3 — точно также информирует МК, но о том, что замкнут выключатель света. Он, наоборот, притягивает вход PB3 к "питанию", а в закрытом состоянии этот вход притянут резисторм R7 к "GND". Когда выключатель разомкнут, микроконтроллер должен как можно быстрее перейти к ШИМ-управлению лампами, чтобы давать возможность конденсатору подзарядится в моменты, когда VT4 закрыт.

Пару слов об отводе тепла

Здесь используется один силовой транзистор. По расчётам, при токе 11 Ампер (взято с запасом) и его сопротивлении 6,8мОм (максимум) на нём будет рассеиваться 0,822 Ватта. Что достаточно немного. Однако в тесном корпусе реле негде разместить радиатор. Для эффективного отвода тепла, сток транзистора припаивается как можно ближе, под обильным припоем, к ножке корпуса, которая обладает хорошей теплопроводностью и отводит тепло наружу, в массивную колодку реле и далее в корпус машины. Эксперимент показал, что даже в неподключенном к колодке реле, транзистор нагревается всего на 30-35 градусов.

К слову, штатное реле потребляет ток около 150 миллиампер, и рассеивает почти 2 Ватта тепла.

Изготовление реле

Почти одновременно с этой задумкой, я обнаружил, что если вынуть в блоке предохранителей шунт и вставить в его место нормальное реле, то включится опция дневных ходовых огней. Реле в KIA довольно занимательные, симметричные: втыкай хоть так, хоть эдак. Пара контактов по диагонали — это обмотка, а по другой диагонали — замыкаемые. Это даёт некоторые неудобства: электронное реле нельзя втыкать "абы как".

В результате в руках у меня оказался шунт, который внешне мало отличим от реле, а кишочки у него выглядят так:

Он куда удобнее для обработки и размещения внутри всяких схем, чем обычное реле. Поработав немного ножовкой и надфилями получилось что-то такое:

Вначале по разработанной схеме был собран прототип:

Так как места в корпусе не слишком много, методом ЛУТ я изготовил двустороннюю плату 19х18мм.