Регулятор напряжения для автомобиля своими руками
Микроконтролерный реле регулятор.
Автор: Митько Виталий Сергеевич
Опубликовано 11.02.2016
Создано при помощи КотоРед.
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 K-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. Схема реле-регулятора
Линия PB0 (вывод 5) микроконтроллера настроена как выход. На ней программа формирует сигнал управления лампой, имеющейся на приборной панели автомобиля. Через эту же лампу на линию PB1 (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 C6 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 C6 он образует интегрирующую цепь, задерживающую на некоторое время после закрывания транзистора VT1 достижение напряжением на входе PB1 микроконтроллера 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 PB2 (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 PB3 (выводу 2) микроконтроллера подключают датчик температуры аккумуляторной батареи автомобиля. Если в качестве этого датчика применён терморезистор RK1 (я использовал приобретённый на сайте https:// www.ebay.com герметизированный, с длинными выводами «NTC Thermistor temperature sensor 10K 1 % 3950»), то вместе с резистором R10 он образует измерительный делитель напряжения. Если датчик — LM335 (BK1), 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 — ATTI-NY85_LM335. Конфигурация микроконтроллера в обоих случаях должна соответствовать табл. 1. Она совпадает с первоначально установленной заводом-изготовителем.
Линия PB4 (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.
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 C2, C7 и C8). 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 BCX56 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 TO-252AA. 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 TO-220AB.
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 10A7 (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).
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 раззен-ковать 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 XT1-XT6, 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. Схема подключения нового реле-регулятора
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. Схема подключения нового реле-регулятора
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 PB2 микроконтроллера, чем закроет транзистор VT4 и отключит обмотку возбуждения генератора. При снижении напряжения ниже нижнего порога программа установит на линии PB2 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 жёстко заданы в программе. Они указаны в табл. 2.
По поводу значения напряжения, которое нужно поддерживать, идёт много споров. Теоретически при температуре аккумуляторной батареи -30 оС 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 оС 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).
Файлы программ(AtmelStudio) и печатной платы (Sprint-Layout 6). В архиве.
Источник
Схема автомобильного регулятора напряжения
А. КОРОБКОВ
г. Люберцы Московской области
Электронный регулятор напряжения в системе автомобильного электрооборудования уже зарекомендовал себя как надежный, стабильный и долговечный узел. Ниже описан один из вариантов такого регулятора, в течение длительного времени испытанного на разных автомобилях и показавшего хорошие результаты. Особенностями регулятора являются использование триггера Шмитта в узле управления выходным транзистором и наличие температурной зависимости регулируемого напряжения. Регулятор смонтирован в корпусе реле-регулятора РР-380 и полностью его заменяет.
Первая из указанных особенностей позволила снизить мощность рассеяния на выходном транзисторе за счет большой скорости его переключения. Вторая позволяет автоматически уменьшать напряжение зарядки аккумуляторной батареи при повышении температуры в моторном отсеке. Известно, что зарядное напряжение летом должно быть ниже, чем зимой. Невыполнение этого условия приводит к кипению электролита летом и недозарядке батареи зимой.
Принципиальная схема электронного регулятора изображена на рис. 1. Регулятор состоит из трех функциональных узлов: входного узла управления, состоящего из резистивного делителя напряжения R1—R3, стабистора VD1 и стабилитрона VD2, триггера Шмитта
на транзисторах VT1.VT2 и выходного ключа на транзисторе VT3 и диоде VD4. Дроссель L1 служит для снижения пульсации напряжения на входе триггера, которые ухудшают эффективность регулирования. Элементы VD1 и VD2 формируют образцовое напряжение. Подводимое к входу триггера Шмитта напряжение равно разности между регулируемой частью входного напряжения и образцовым. Благодаря температурной зависимости напряжения на стабисторе VD1 и эмиттеряом переходе транзистора VT1 происходит уменьшение образцового напряжения при повышении температуры. В результате напряжение, подводимое к аккумуляторной батарее, уменьшается примерно на 10 мВ с повышением температуры на 1°С, что и необходимо для правильной эксплуатации батареи.
Триггер Шмитта выполнен по классической схеме. Конденсатор С1 не допускает возникновения высокочастотного возбуждения этого транзистора, когда он находится в линейном режиме, и не влияет на скорость переключения триггера. Разность между порогами напряжения переключения определяется соотношением номиналов резисторов R6 и R8 и равна примерно 0,03 В.
Транзистор VT3 электронного ключа насыщен в открытом состоянии, так что при коллекторном токе 3 А на нем падает всего 0,25 В. Благодаря хорошему быстродействию транзистора и импульсному режиму управления с крутыми фронтом и спадом импульсов управляющего напряжения мощность, выделяемая на транзисторе, не превосходит 0,5 Вт при средних и высоких значениях частоты вращения ротора генератора и 0,8 Вт — при низких. При такой мощности рассеяния принципиальной необходимости в теплоотводе для транзистора VT3 нет.
Диод VD4 служит для защиты транзистора VT3 от бросков напряжения самоиндукции с обмотки возбуждения генератора, возникающих в моменты закрывания транзистора. При этом ток самоиндукции замыкается через диод VD4, уменьшаясь по экспоненте. Конденсатор С2 устраняет помехи, связанные с работой регулятора и могущие проникнуть в бортовую сеть автомобиля.
Электронный регулятор конструктивно удобнее всего выполнить на базе имеющегося реле-регулятора РР-380. С его основания снимают все детали, кроме дросселя и проволочного резистора сопротивлением 19 Ом, расположенного под монтажной площадкой (этот дроссель L1 на схеме рис. 1. а резистор — R9). Пластмассовый разъем с контактными планками и изолирующую прокладку тоже следует оставить.
Большинство элементов регулятора размещено на двух печатных платах, изготовленных из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Вне плат установлены резисторы R8 и R9, дроссель L1, диод VD4 и транзистор VT3. Платы и транзистор VT3 привинчены к угольнику из листовой латуни или стали толщиной 2 мм, притянутому к основанию винтом (с гайкой) диода VD4(KД202A). Чертеж угольника представлен на вкладке. Диoд VD4 устанавливают в отверстие А.
Подстроечный резистор R2 установлен на плате 1 установочным винтом наружу ‘со стороны печатных проводников. Транзистор VT1 вклеен в отверстие платы 2. Резистор R8 — ПЭВ-10 — припаян выводами к двум латунным лепесткам (рис. 2, а и б), которые фиксированы винтами МЗ в отверстиях основания, служивших в регуляторе РР-380 для крепления резистора 5,5 Ом.
Плату 1 с деталями входного узла рекомендуется устанавливать на угольник после его закрепления на основании. Затем припаивают все перемычки между платами и деталями вне плат. Перемычки изготовляют из луженого медного провода диаметром 0,5 мм.
В регуляторе использован подстроечный резистор СП5-14; можно применять резисторы и с другими номиналами при условии сохранения суммарного сопротивления R2+R3. Резистор R6 изготовлен из константанового провода диаметром около 0,3 мм, намотанного на любой резистор ОМЛТ-0,5. Вместо резистора на 68 Ом (R8) допустимо применить такие же резисторы сопротивлением от 51 до 75 Ом. Конденсаторы — КМ-5а-НЗО, емкостью до 0,1 мкф.
Вместо КТ603Б можно использовать любой транзистор из этой серии, а также КТ608А, КТ608Б; вместо КТ904А — КТ904Б, КТ926А, КТ926Б; вместо ГТ806В— любой из серий ГТ806, 1Т813.
При испытаниях регулятора вместо транзистора ГТ806В был для пробы включен транзистор П217Б. Хотя разогревание корпуса этого транзистора было несколько выше, чем у ГТ806В, оказалось вполне допустимым применение транзисторов П216. П216А, П217А — П217В.
Стабистор КС119А можно заменить на КС113А. Вместо Д818Г возможно использование других стабилитронов этой серии, однако при этом могут возникнуть трудности с температурной настройкой регулятора, для преодоления которых придется подбирать резисторы R1 и R3 (с сохранением суммарного сопротивления R1+R2+R3 в интервале от 250 до 300 Ом).
Вместо Д223 подойдут диоды Д219А, Д220А, Д220Б, КД504А; вместо КД202А — любой из этой серии.
Налаживать электронный регулятор можно непосредственно на автомобиле, но лучше его предварительно проверить, подключив к регулируемому источнику питания напряжением до 14 В с небольшим уровнем пульсации (с размахом не более 0,05 В). Перед включением винт подстроечного резистора R2 вращают до упора по часовой стрелке, а к зажиму 67 и общему проводу подключают лампу накаливания (СМ28-20 или другую) на напряжение 12. 27 В; Включают источник питания и вращают винт резистора R2 против часовой стрелки до зажигания лампы.
После этого регулятор устанавливают на автомобиль. Вольтметром класса точности не хуже 1.5 измеряют напряжение непосредственно на выводах аккумуляторной батареи. Перед пуском двигателя проверяют напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT3, оно должно быть не более 0,3 В. Запускают двигатель, устанавливают среднюю частоту вращения ротора генератора и винтом резистора R2 доводят напряжение на выводах аккумуляторной батареи до требуемого уровня при 40 °С — 13,9. 14 В, при 20 °С — 14,2. 14,3 В. при 0 — 14.4. 14.5 В.
В заключение увеличивают частоту вращения ротора генератора до максимальной, напряжение на выходах батареи должно увеличиться не более чем на 0,1. 0,15 В. Указанное значение несколько больше, чем обеспечивает регулятор, и обусловлено падением напряжения на проводах и контактах в цепи между плюсовым выводом аккумуляторной батареи и зажимом «15» регулятора напряжения. Кстати, по этой причине при исправной, полностью заряженной батарее в процессе езды могут наблюдаться короткие вспышки контрольной лампы на приборной панели автомобиля.
Несколько экземпляров электронного регулятора прошли испытания в течение более 5 лет и показали хорошие результаты. При наружной температуре +35 °С после достижения в моторном отсеке максимальной температуры (в процессе длительной езды) напряжение на выводах батареи уменьшалось до 13,9 В, при этом ток зарядки был равен 0,7 А. При температуре —10°С напряжение повышалось до 14.4 В, а ток зарядки был в пределах 0,8. 1 А.
Источник