Форум "Гараж оппозитчика"

Это - дом для оппозитчика. Кладезь знаний с возможностью обсуждения. Наша группа Вконтакте https://vk.com/uralgarage

Вы не вошли.

#1 05-04-18 18:27:18

Кэп
Участник
Откуда Москва
Зарегистрирован: 05-03-17
Сообщений: 14
Сайт

Особенности питания электронных устройств на авто- и мототехнике

Немного теории (ужасы, 21+, и не говорите, что вас не предупреждали)
Питание электронных устройств на авто- и мототехнике имеет ряд особенностей и условий, не соблюдая которые, питаемую электронику легко вывести из строя. Схемотехнические решения, десятилетиями живущие в бытовой аппаратуре, зачастую непригодны для транспортных средств. В первую очередь, конечно же, нас интересует питание систем зажигания, ибо выход из строя этого незамысловатого устройства превращает транспортное средство в недвижимость, но все приведенные ниже тезисы в полной мере относятся к любым другим электронным устройствам, питающимся от бортовой сети наших автомобилей и мотоциклов. Итак, посмотрим, какие же подводные камни могут быть.

voltage.jpg
Рис. 1. Виды искажений бортового напряжения (рисунок не в масштабе).

1. Номинал. Это напряжение в бортовой сети при выключенном двигателе и включенном зажигании. Номинал - 11,5... 12,5 вольт. Это - затишье перед бурей поворотом ключа зажигания.
2. Отключение параллельных индуктивных нагрузок. Под параллельными индуктивными нагрузками следует понимать катушки зажигания, обмотку возбуждения генератора, вентиляторы охлаждения, стартер. Амплитуда таких выбросов легко достигает 200 вольт (правда, на очень короткое время, миллионные доли секунды).
3. Просадка при запуске двигателя. Относится только к двигателям, оборудованным электростартером.
4. Шумы. Основная масса шумов производится также катушками зажигания и обмоткой возбуждения генератора. Амплитуда выбросов сильно зависит от схемотехники модуля зажигания и РР генератора соответственно, и обычно не превышает 20...40 вольт. К шумам можно отнести также такие неисправности, как обрыв аккумулятора, а также неисправность РР, но в отличие от штатных шумов, эти выбросы больше по времени и амплитуде, то есть более опасны.
5. Переполюсовка аккумулятора. Тут все просто - плюс с минусом меняются местами, и задача каждого электронного устройства - выжить при этом.
6. Запуск двигателя от аккумулятора другого автомобиля. Здесь имеет место кратковременное повышение напряжение на несколько вольт, обычно бортовая сеть не выходит за пределы 18... 20. В отличии от пп. 2 и 4, также представляет опасность, так как имеет значительно бОльшую длительность.
Отдельно стоит написать пару слов о работе генератора. Способ регулировки напряжения в бортовой сети автомобилей и большинства мотоциклов - пороговый. Это означает, что есть два уровня напряжения (порога), на которые реагирует реле-регулятор (РР) генераторной установки. Нижний порог - обычно немногим более 13 В, верхний - около 14. Если напряжение ниже нижнего, РР включает обмотку возбуждения на генераторе, если выше верхнего - выключает. Очевидно, что такие включения-выключения происходят десятки раз в секунду, вызывая ощутимые всплески напряжения обеих полярностей, однако в значительной мере, но не полностью, их сглаживает аккумулятор, выступая в роли фильтра. Кстати, именно по этой причине категорически запрещается отключать аккумулятор при работающем двигателе - выбросы увеличиваются в несколько раз, выводя из строя все электрическое оборудование.
Таким образом, сформируем основные требования к системе питания:
- нечувствительность к переполюсовке питания (так как причиной этого может быть не только ошибка подключения аккумулятора, но и вполне штатные шумы);
- запас по входному напряжению, минимум, 40 вольт (при этом напряжении система должна работать в штатном режиме);
- минимальное падение напряжения (для поддержания напряжения питаемого устройства на нужном уровне при запуске со стартера либо при севшем аккумуляторе);
- недопустимость повышения напряжения на нагрузке при выходе из строя (то есть защищать чувствительную электронику система питания должна даже ценой собственной жизни).
Также при изготовлении проводки на транспортном средстве следует помнить, что аккумулятор является превосходным фильтром от большинства кратковременных помех и всплесков, а поэтому оптимальная цепь энергоснабжения должна выглядеть так: генератор (на самом деле - серьезный источник помех) - аккумулятор - потребители. Причем подключение потребителей должно быть по возможности звездой, то есть проводник к каждому потребителю должен быть выделенным, и подключаться как можно ближе к аккумулятору. Как пример, можно привести рекомендации высококачественных автомобильных аудиосистем - каждый более-менее серьезный производитель советует подключать свою музыку отдельным проводом непосредственно на клемму аккумулятора.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Легендарная микросхема - старушке пора на отдых?
Теперь посмотрим, чем же питают самодельщики микроконтроллеры зажиганий. Старая, добрая, заслуженная 7805, она же КРЕНка, скоро отмечающая полувековой юбилей, имеющая десятки и сотни имен и даже свою страницу в Википедии, но так ли она хороша для наших применений?

7805.gif
Рис. 2. Типовая схема включения для 7805.

1. Это микросхема линейного стабилизатора, а следовательно, все падение напряжения на ней превращается в тепло. Например, при потреблении всего 0,1 А при входном напряжении 13,5 В и выходном 5 В разница составит 8,5 В, а рассеиваемая мощность - 0,85 Вт. Без радиатора уже не обойтись. Кстати, игнорирование данного нюанса часто приводит к тому, что встроенная тепловая защита периодически выключает микросхему, что, соответственно, приводит к отключениям питаемого устройства.
2. При малых падениях напряжения между входом и выходом (а это разница менее 10 В) регулирующий транзистор работает в режиме ограничителя тока. То есть пока напряжение в бортовой сети не достигнет 15 В, бОльшая часть помех будет гулять по цепям питания микроконтроллера! Но 15 вольт - это уже неисправность бортсети, а следовательно, в данном конкретном случае 7805 уже не так уж и хороша в роли стабилизатора. Тут уместно вспомнить, что создавалась она почти 50 лет назад, для фильтрации пониженного выпрямленного сетевого напряжения, с частотой синусоидальных пульсаций в 100 Гц, без малейшего намека на импульсные всплески.
3. Суммарное падение на 7805 и защитном диоде может составлять до 3,5 вольт, а значит, для качественного снабжения 5-ю вольтами напряжение в бортсети не может опускаться ниже 8,5 В. А если учесть падение напряжения на контактах замка зажигания, разъемов, то нижнюю границу стабильной работы можно принимать 9... 9,5 В. Да, это уже разряженный аккумулятор, но как говорится, ехать-то все равно надо.
4. Максимальное входное напряжение семейства 78хх составляет от 30 до 35 вольт (в зависимости от производителя), при его превышении микросхема немедленно умирает. Также не следует забывать, что любой предельный параметр, указанный в документации, приводится, как правило, при прочих воздействиях, близких к нулю. То есть микросхема переживет 35 вольт на входе, но будучи холодной и с минимальной нагрузкой. Также существует такое понятие, как "Область Безопасной Работы" (ОБР), или проще - запас. Применительно к электронным компонентам обычно берется коэффициент использования 0,8.
Так что мое резюме по заслуженной старушке - ее можно применять, но в маломощных нетребовательных схемах, желательно с хорошей фильтрацией выхода. Наши системы зажигания под это определение не подходят. LC-фильтр по входу (дроссель и конденсатор) - обязательны. Но фильтрация, радиатор, да и сама КРЕНка - синонимы массы и габаритов. А вообще, КРЕНка - не автомобильная микросхема.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Маленький и импульсивный.

power_sch.jpg
Рис. 3. Импульсный SEPIC преобразователь модуля NR.216.0600 mkII.

При выборе системы питания для своих зажиганий я выбрал импульсную схему, и ее конкретную модификацию - SEPIC. На самом деле, импульсные преобразователи имеют множество преимуществ перед линейными, и в первую очередь это - высокий КПД (около 80%, 7805 в тех же условиях будет иметь КПД около 35%) и ничтожно малый уровень проникновения помех и выбросов напряжения со входа на выход. Топология SEPIC позволяет, кроме всего прочего, не только понижать, но и повышать напряжение, кроме того, она же определяет наличие разделительного конденсатора (на схеме - С2), поэтому даже при критичной неисправности, пробое основных компонентов напряжение на выходе не поднимется до бортового, а просто пропадет.
При выборе микросхемы преобразователя учитывалось множество нюансов - стоимость, доступность, габариты, количество внешних элементов, уровень пульсаций на выходе. В итоге была выбрана LM3478 в типовом включении.
От отрицательной полярности на входе схему защищает так называемый "идеальный диод" на MOSFET транзисторе VT1:B (это половинка транзисторной сборки FDS4897C, данное решение принято для миниатюризации). Вторая половина транзистора работает в паре с уже упомянутой LM3478 и формирует на конденсаторах С6 и С11 напряжение 8 вольт, причем оно неизменно в диапазоне входных напряжений от 3 до 40 вольт! Единственная ложка дегтя - в этом напряжении присутствуют собственные ВЧ пульсации, их размах около 0,25 В, что непринципиально для цифровых схем, но нежелательно для схем, имеющих аналоговые цепи. Поэтому в системе питания дополнительно установлен маломощный линейный стабилизатор LP2981-5.0, пульсации на его выходе не превышают 0,005... 0,01 В.
В итоге получилась схема, которая выдает стабильнейшее напряжение 5 В при тока до 0,1 А, при этом нечувствительная к помехам питающего напряжения. Диапазон входа от 3 до 40 вольт позволяет использовать этот узел как в 12-вольтовой бортовой сети, так и в 6-ти вольтовой. В заключение - сравнение размеров фрагмента платы с LM3478 и классической 7805 с обвязкой. Пропорции соблюдены.

3478vs7805.jpg
Рис. 4. Красная плата - фрагмент схемы на LM3478, зеленая плата - 7805.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Вместо послесловия.
Здесь мы видим, как от маленькой и недорогой детальки может зависеть надежная и стабильная работа бортовых электронных устройств. Конечно, описанная выше схема дороже и сложнее всем привычной КРЕНки, но если важна надежность - выбор очевиден. Надеюсь, информация пригодится всем: электронщики немного расширят свои познания, а обычные потребители - смогут понять разницу между дешевым рукоделием и профессиональным подходом к проектированию.
Кстати, маленькая историческая справка, почему КРЕНка так называется.
В зарубежной технике маркировка микросхем линейных стабилизаторов проста и незатейлива: первые две цифры 78 - серия стабилизаторов положительного напряжения (в дополнение к ним существует серия 79 - отрицательного напряжения), последние две цифры - напряжение стабилизации в вольтах.
В СССР подобные стабилизаторы сначала выпускались в металлокерамическом корпусе и применялись, в основном, в военной промышленности, имели обозначение вида К142ЕНху, где
К - определение интегральной схемы,
142 - серия микросхем,
ЕН - тип (интегральные линейные стабилизаторы),
х - цифра, обозначающая разновидность,
у - буква, обозначающая модификацию.
Подобное обозначение не позволяло без справочника определить параметры микросхемы (например, стабилизатор 5В 3А имеет наименование (К)142ЕН5А, стабилизатор 15В 1.5А имеет обозначение 142ЕН8В, стабилизатор 9В 1.0А — 142ЕН8Г, и т. д.), но так уж исторически сложилось. Немногим позже была выпущена гражданская версия микросхемы в пластиковом корпусе ТО-220, что отобразилось в названии - КР142ЕНху, где
К - определение интегральной схемы,
Р - пластиковый корпус,
142 - серия микросхем,
ЕН - тип (интегральные линейные стабилизаторы),
х - цифра, обозначающая разновидность,
у - буква, обозначающая модификацию.
Так как серия 142 была единственной среди линейных стабилизаторов, а для удешевления производства при маркировке цифры 142 опускались (вообще, сокращения были распространены в СССР), все без исключения обозначения стабилизаторов начинались с букв КРЕН. Потом, по мере совершенствования оборудования появилась полная маркировка, другие серии микросхем, но это уже совсем другая история...

kren.jpg

Изменено Кэп (06-04-18 10:33:23)


Все нужное - просто, все сложное - не нужно

Не в сети

#2 05-04-18 18:36:27

Dragster
Администратор
Откуда Москва
Зарегистрирован: 04-03-17
Сообщений: 112

Re: Особенности питания электронных устройств на авто- и мототехнике

На моей саруманке в 2011 году кренка от вибраций отвалилась на ходу. Хорошо контакты с собой были.

Не в сети

#3 06-04-18 10:23:33

Кэп
Участник
Откуда Москва
Зарегистрирован: 05-03-17
Сообщений: 14
Сайт

Re: Особенности питания электронных устройств на авто- и мототехнике

Dragster пишет:

На моей саруманке в 2011 году кренка от вибраций отвалилась на ходу. Хорошо контакты с собой были.

Ну, то что на транспорте применимы только SMD компоненты, должно быть известно даже ленивому (паяльщику, разумеется), а крупные выводные детали должны жить, как минимум, на двусторонней плате (металлизация дает +много к надежности пайки), а как максимум, еще и привинчены к плате/корпусу. Но односторонняя плата и пайка без дополнительной фиксации намного дешевле, что в итоге и решает )))


Все нужное - просто, все сложное - не нужно

Не в сети

Подвал раздела

Работает на FluxBB (перевод Laravel.ru)