Микроконтроллерное реле-регулятор

Предлагаемое устройство предназначено для замены штатно­го реле-регулятора напряжения в бортсети автомобиля и отлича­ется тем, что поддерживаемое им напряжение зависит от темпе­ратуры аккумуляторной батареи. Оно не требует налаживания и с помощью сигнальной лампы на приборной панели сигнализи­рует о некоторых неисправностях системы электропитания автомобиля. Недостатком можно считать необходимость вмеша­тельства в электропроводку автомобиля, так как схема под­ключения нового реле-регулятора отличается от стандартной. Устройство не предназначено для использования в автомобилях с генераторами, управляемыми по К—Line (Mercedes, BMW и некоторые автомобили концерна VAG).

Схема реле-регулятора изображена на рис. 1. Его основа — микроконт­роллер ATtiny85-20SU (DD1), который без изменения схемы прибора, его пе­чатной платы и программы микроконт­роллера можно заменить на ATtiny25-20SU или ATtiny45-20SU. С микроконт­роллерами других типов приложенные к статье программы работать не будут.

Рис. 1

Линия РВ0 (вывод 5) микроконт­роллера настроена как выход. На ней программа формирует сигнал управ­ления лампой, имеющейся на прибор­ной панели автомобиля. Через эту же лампу на линию РВ1 (вывод 6) микро­контроллера поступает сигнал о том, что зажигание включено. Этот вход за­щищён от выбросов напряжения ста­билитроном VD2. Кроме указанного на схеме, здесь пригоден любой стаби­литрон на 3,3…4,9 В в подходящем корпусе. Конденсатор С6 подавляет шум стабилитрона. Упомянутая выше сигнальная лампа 12 В, 1,2…1,4 Вт включена в коллекторную цепь тран­зистора VT1, усиливающего сигнал микроконтроллера.

Номинал резистора R11, указанный не схеме, можно уменьшить до 1 кОм, но нельзя увеличивать. Это связано с тем, что вместе с конденсатором С6 он образует интегрирующую цепь, задер­живающую на некоторое время после закрывания транзистора VT1 достиже­ние напряжением на входе РВ1 микро контроллера высокого логического уровня. Для безошибочного определе­ния включённого и выключенного состо­яния замка зажигания автомобиля это время не должно быть больше имею­щейся в программе задержки. Макси­мально допустимое сопротивление ре­зистора R11 2,2 кОм определено экспе­риментально.

Линия РВ2 (вывод 7) микроконтрол­лера через усилитель на транзисторах VT2—VT4 управляет обмоткой возбуж­дения генератора автомобиля. Обра­тите внимание, что транзисторы VT2 и VT3 питаются напряжением не 5 В, а 9 В от стабилизатора напряжения на стаби­литроне VD3. Это необходимо, чтобы подать на затвор транзистора VT4 на­пряжение, достаточное для его полного открывания, при котором сопротивле­ние открытого канала этого транзисто­ра и рассеиваемая на нём мощность минимальны. Стабилитрон 1N5239B можно заменить любым другим с напря­жением стабилизации 9… 10 В.

К линии РВЗ (выводу 2) микроконт­роллера подключают датчик температу­ры аккумуляторной батареи автомоби­ля. Если в качестве этого датчика при­менён терморезистор RK1 (я использо­вал приобретённый на сайте http://www.ebay.com герметизированный, с длинными выводами «NTC Thermistor temperature sensor 10К 1 % 3950»), то вместе с резистором R10 он образует измерительный делитель напряжения. Если датчик — LM335 (ВК1), который подключают вместо терморезистора, то через тот же резистор на него поступа­ет напряжение питания. Конденсатор С4 — сглаживающий.

Обратите внимание, зависимости выходного напряжения от температуры у терморезистора и интегрального дат­чика температуры неодинаковы, поэто­му программы микроконтроллера при использовании этих датчиков должны быть разными. В первом случае — это ATTINY85_HTC_10K, во втором — ATTINY85_LM335. Конфигурация микроконт­роллера в обоих случаях должна соот­ветствовать табл. 1. Она совпадает с первоначально установленной заводом-изготовителем.

Линия РВ4 (вывод 3) микроконтрол­лера использована как аналоговый вход для контроля напряжения в бортсети. Резисторы R1, R6, R7, R9 образуют де­литель этого напряжения для подачи на АЦП микроконтроллера. C1R8C3 — фильтр, сглаживающий пульсации из­меряемого напряжения.

Резисторы R2—R5 образуют с кон­денсатором С2 фильтр питания, а с резистором R17 — балластное сопро­тивление для стабилизатора напряже­ния на стабилитроне VD3. Интегральный стабилизатор LM1117-5.0 (DA1) обеспечивает напряжением 5 В микро­контроллер.

Таблица 1

Устройство собрано на печатной плате, изображённой на рис. 2. Она рассчитана на установку резисторов типоразмера 1206 для поверхностного монтажа и таких же конденсаторов (за исключением оксидных С2, С7 и С8). К транзисторам VT2 и VT3 особых требований не предъявляется. Те, типы кото­рых указаны на схеме, можно заменить другими маломощными соответствую­щей структуры с напряжением коллек­тор—эмиттер не менее 30 В и в корпусе SOT95. Вместо ВСХ56 подойдёт любой n-p-n транзистор средней мощности в корпусе SOT-89 с допустимыми током коллектора не менее 1 А, напряжением коллектор—эмиттер 30 В и более. При соответствующей доработке платы можно применить подходящие транзис­торы и в других корпусах. Например, VT1 — серии КТ815, VT2 — серии КТ315, VT3- серии КТ361.

Полевой транзистор IRLR2905 име­ет сопротивление открытого канала 0,027 Ом, максимальный ток стока — 30 А и корпус ТО-252АА. На его месте сможет работать, например, транзис­тор IRLR2705 (0,04 Ом, 20 А), но он бу­дет выделять заметно больше тепла и потребует более эффективного тепло­отвода. Другая возможная замена — по­левой транзистор RFP50N06 (0,022 Ом, 50 А). Он довольно популярен в авто­мобильных УМЗЧ, но имеет корпус ТО-220АВ.

В качестве замены микросхемы LM1117-5.0 подходят по параметрам многие интегральные стабилизаторы напряжения +5 В. Но все они несовме­стимы с ней по назначению выводов. Поэтому при замене потребуется вно­сить коррективы в печатную плату.

Диод 10А7 (VD1, устанавливаемый вне печатной платы) можно заменить любым другим диодом с допустимыми прямым током 10 А и обратным напря­жением не менее 100 В.

Печатная плата изготовлена из фольгированного с двух сторон стекло­текстолита, но печатные проводники вытравлены только на одной её сторо­не. Фольга на противоположной сторо­не платы сохранена и соединена с общим проводом устройства. После травления в плате сверлят отверстия. Затем вырезают из алюминиевого, медного или латунного листа толщиной 1,5…2 мм пластину-теплоотвод разме­рами 72×42 мм — немного больше, чем сама плата. Используя плату в качестве шаблона, сверлят в пластине четыре крепёжных отверстия (на рис. 2  эти отверстия большего, чем другие, диа­метра).

Рис. 2

Предназначенные для не соединяе­мых с общим проводом выводов дета­лей отверстия в плате зенкуют со сто­роны сплошной фольги сверлом боль­шого диаметра, чтобы удалить фольгу вокруг них. Два нижних (по рис. 2) кре­пёжных отверстия необходимо раззенковать со стороны печатных проводни­ков. Выводы деталей, соединяемые с общим проводом, при монтаже следует пропаивать с обеих сторон платы.

Закончив монтаж всех деталей и проверив его, положите на плату со стороны печатных проводников плас­тину-теплоотвод. Она должна опереть­ся на корпус транзистора VT4 и на две шайбы толщиной 2,3 мм, наложенные на верхние (по рис. 2) крепёжные от­верстия. Место соприкосновения теп­лоотвода с корпусом транзистора же­лательно смазать теплопроводной пастой. Плату и теплоотвод скрепляют четырьмя винтами с гайками.

После проверки готового изделия в работе его разбирают, покрывают плату несколькими слоями влагоза­щитного лака (обязательно!), при этом защитив от лака соприкасающуюся с теплоотводом поверхность транзисто­ра VT4 и контакты ХТ1—ХТ6, и вновь собирают. Зазор между платой и теп­лоотводом можно залить термоклеем.

В автомобилях, оборудованных электрогенератором, обмотки статора которого соединены по схеме «звезда» с трёхфазным выпрямительным мос­том на шести диодах, новый реле- регулятор подключают по схеме, изоб­ражённой на рис. 3. Но предваритель­но нужно удалить штатные реле-регу­лятор и реле контроля зарядки аккуму­ляторной батареи. Места разрыва цепей обозначены на схеме крестами. Отключив от корпуса автомобиля пра­вый (по схеме) вывод сигнальной лампы, соединяют его, как показано на схеме утолщённой линией, с выво­дом замка зажигания. Диод VD1 (см. рис. 1) в рассматриваемом слу­чае не требуется.

Рис. 3

Если обмотки статора генератора соединены «треугольником», а выпря­митель состоит из девяти диодов, то новый реле-регулятор подключают к нему по схеме, изображённой на рис. 4. Здесь, кроме проводов, шед­ших к старому реле-регулятору, нужно разрезать ещё один, присоединённый к левому (по схеме) выводу сигнальной лампы.

Рис. 4

Через диод VD1 (см. рис. 1)обмотка возбуждения генератора питается при включённом зажигании, но останов­ленном или работающем на малых оборотах двигателе автомобиля. В от­сутствие диода VD1 генератор при запуске двигателя работать не начнёт.

Непосредственно от замка зажигания (без диода) напряжение на обмотку возбуждения подавать нельзя, так как в этом случае запущенный двигатель продолжит работать и после выключе­ния зажигания.

Датчик температуры крепят к акку­муляторной батарее липкой с двух сто­рон лентой, не забыв предварительно обезжирить место крепления. На про­тивоположную датчику и батарее сто­рону ленты наклеивают небольшую поролоновую пластину. Она предохра­нит датчик от нагревания горячим воз­духом подкапотного пространства.

Пока зажигание выключено, про­грамма микроконтроллера «спит». «Проснувшись» при его включении, она подаёт сигнал «напряжение ниже за­данного» — сигнальная лампа часто мигает. Как только после запуска двига­теля напряжение генератора достигнет нижнего порогового значения, лампа погаснет, а программа перейдёт в режим стабилизации напряжения. При превышении его верхнего порогового значения программа установит низкий уровень на линии РВ2 микроконтролле­ра, чем закроет транзистор VT4 и от­ключит обмотку возбуждения генерато­ра. При снижении напряжения ниже нижнего порога программа установит на линии РВ2 высокий уровень, откры­вая транзистор, замыкающий цепь питания обмотки возбуждения. Зна­чения напряжения верхнего и нижнего порогов (включения и выключения об­мотки возбуждения) зависят от темпе­ратуры аккумуляторной батареи и

жёстко заданы в программе. Они указа­ны в табл. 2.

Таблица 2

По поводу значения напряжения, которое нужно поддерживать, идёт много споров. Теоретически при температуре аккумуляторной батареи -30 °С напряжение должно быть равным 15,9 В. Но как показывает практика, это слишком много для бортовой электроники. А напряжение 12,5 В при прогретой до +50 °С бата­рее, конечно же, слишком мало. Осо­бенно летом при работающих конди­ционере, вентиляторах радиатора и других потребителях тока. Такое на­пряжение приводит к временному отказу системы ABS. По указанным причинам решено было остановиться на интервале изменения напряжения 12,8…15 В.

Если напряжение остаётся меньшим нижнего порога более 10 с, сигнальная лампа начинает мигать с частотой око­ло 2 Гц. Предусмотрена также индика­ция неисправности (замыкания или обрыва) в цепи датчика температуры — мигание сигнальной лампы с частотой 0,5 Гц. В этом случае программа удерживает напряжение в пределах 13,8…14 В. Устройство выключается при полном отключении питания либо при снятии питания с сигнальной лампы (выключении зажигания).

Прикрепленные файлы

Автор: В. МИТЬКО, г. Тверь
Источник: Радио №8, 2015