Плавное включение ламп накаливания 12в в автомобиле
Плавное включение фар и габаритных огней автомобиля. Устройство для увеличения срока эксплуатации автомобильных ламп
Недавно один из наших форумчан, Rus_lan, выложил на форум интересную штуку — устройство для плавного включения фар автомобиля. Штука эта многих сразу же заинтересовала (и меня в том числе), поэтому тему было решено более подробно раскрыть и описать в отдельной статье.
Итак, если вы автолюбитель, то вам наверняка приходится менять в своём автомобиле различные лампы накаливания: дальний и ближний свет, габаритные огни, поворотники…
Поскольку наиболее активно в автомобиле используются лампы ближнего света и габаритных огней, то и менять их приходится чаще всего.
Хорошо известно, что перегорают лампы обычно в момент включения, причём зимой гораздо чаще, чем летом. Почему так происходит?
Дело в том, что рабочая температура нити лампы накаливания составляет более двух с половиной тысяч градусов цельсия. Именно при такой температуре нить и начинает светиться. До рабочей температуры нить нагревается протекающим по ней током. Если нагрев происходит слишком быстро и неравномерно, то температуры соседних участков нити не успевают выравниваться за счёт теплопроводности, между соседними участками создаётся большой перепад температур, расширяются эти участки сильно неравномерно, в результате чего в нити возникают большие механические нагрузки и она рвётся. Похожий эффект можно наблюдать, если плеснуть холодной водой на раскалённый камень. Внешние слои камня при этом резко охлаждаются и сжимаются, в то время, как внутренние ещё остаются горячими и расширенными. В результате, как мы знаем, камень трескается.
Кроме эффекта, описанного выше, механические нагрузки возникают также из-за магнитного взаимодействия витков спирали, сила которого опять же пропорциональна силе тока.
Хорошо, ну а при чём же здесь всё-таки момент включения? Всё очень просто. В момент включения, когда нить холодная, её сопротивление значительно ниже, чем сопротивление в нагретом состоянии, соответственно и протекающий в это время ток значительно больше рабочего тока. Следовательно, в момент включения мы имеем максимальную скорость нагрева нити, а также максимальное магнитное взаимодействие витков. Зимой начальная температура, а значит и начальное сопротивление нити, ниже, чем летом, следовательно начальный ток ещё больше.
Как с этим бороться? Давайте подумаем. Избавиться от неравномерного нагрева нити мы не можем, поскольку он возникает вследствии дефектов самой нити (например, если нить неравномерна по толщине, то более тонкие участки имеют большее сопротивление и нагреваются быстрее и сильнее). Однако, мы вполне можем уменьшить скорость нагрева и магнитное взаимодействие между витками спирали. Для этого нужно всего лишь ограничить протекающий через нашу лампочку ток, чтобы он, в то время, пока спираль нагревается, не превышал рабочего значения (или хотя бы превышал его незначительно). Именно такое устройство, позволяющее при включении плавно увеличивать ток через лампочку, и предложил Rus_lan.
Работает это устройство следующим образом: за счёт резисторов и конденсатора, установленного параллельно затвору полевика, напряжение на затворе транзистора растёт очень медленно, соответственно также медленно этот транзистор и открывается, что, в свою очередь, обеспечивает плавное увеличение напряжения на лампе и тока через неё. Делитель R1R3 задаёт максимальное напряжение на затворе. Резистор R2 дополнительно увеличивает время включения и защищает затвор транзистора, предотвращая любые возможности возникновения резких бросков тока через него.
Собранное устройство выглядит вот так:
А вот так оно выглядит в работе (в автомобильной фаре):
На этом всё, как говорится «ни гвоздя, ни жезла», удачи!
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:
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:
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.
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.
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.
Плавное включение и выключение фар (продление срока службы ламп)
Как известно, лампы накаливания перегорают в основном в момент включения. Связано это с тем, что электрическое сопротивление холодной нити накаливания лампы намного меньше сопротивления раскаленной нити. Поэтому, в момент включения, через нить проходит ток, значительно превышающий номинальную величину. Если лампа уже не новая и ее нить со временем стала тоньше, этого повышенного тока достаточно, чтобы в момент включения лампа перегорела.
Для продления срока службы ламп накаливания необходимо обеспечить плавный разогрев нити лампы накаливания, путем постепенного увеличения подаваемого на лампу напряжения. Сделать это можно, включив в цепь питания лампы устройство «плавного пуска».
В Интернете можно найти множество схем для обеспечения плавного включения ламп. В продаже есть и готовые решения, например, реле 405.3787-02, выпускаемое ЗАО «Энергомаш», г. Калуга (фото 2, 3):
Данное реле обеспечивает плавное повышение напряжения питания на нагрузке от нуля до номинальных 12В в течение 1 секунды. При выключении, напряжение также плавно снижается до нуля в течение 1 секунды. Максимальный ток потребления нагрузки составляет 25А (фото 4, 5). Ток потребления стандартной автомобильной галогенной лампы 12В/55Вт составляет около 5А. Как видим, характеристик реле 405.3787-02 с запасом хватает, чтобы обеспечить плавный розжиг до четырех ламп головного света.
Данное реле выполнено в стандартном полноразмерном четырехконтактном корпусе (фото 6, 7). Реле такого форм-фактора широко применяются в отечественных автомобилях, например, «жигулях» и «самарах».
Внутри корпуса реле расположена печатная плата, для защиты от влаги залитая прозрачным компаундом. С другой стороны платы установлен силовой транзистор с небольшим алюминиевым радиатором (фото 8, 9):
Как правило, в штатной проводке, питание ламп ближнего и дальнего света, а также противотуманных фар, организовано парами, при этом питание на левую и правую лампы подается от одного реле.
Таким образом, для реализации плавного включения и выключения ламп, например, ближнего света, достаточно заменить штатное реле ближнего света на реле 405.3787-02.
ВНИМАНИЕ! Данное электронное реле 405.3787-02 чувствительно к полярности включения, у него на контакт 30 должен подаваться плюс, на 87 — минус. При ошибочном подключении в обратной полярности, реле может выйти из строя. Поэтому, при установке следует учитывать, на какие контакты 30 и 87 штатного реле подаются плюс и минус питания. Возможные схемы подключения приведены на фото 10.
В проводке отечественных автомобилей, у 4-контактных малогабаритных реле типа 98.3747-111 или 405.3787-04, силовой плюс обычно подается на контакт 30 реле (с краю). Но у автомобилей иностранного производства полярность подключения штатных реле может быть иным. Например, в блоке предохранителей Chery Tiggo 5 силовой плюс подается на центральный контакт 5 (87). Это видно на переходнике на фото 15, где синий провод — минус, красный — плюс.
Если штатное реле имеет такие же размеры, расположение и полярность контактов, достаточно всего лишь заменить одно реле на другое. Немного сложнее, если штатное реле отличается по размерам и конфигурации контактов. В этом случае придется делать переходник. На моей машине штатные реле были меньше по размеру, поэтому потребовался переходник (фото 11).
Добавлено: В продаже появилось также малогабаритное реле 405.3787-04 с плавным включением, но по сравнению с реле 405.3787-02 оно имеет меньший ток коммутации 15А против 25А у большого реле.
Для изготовления переходника прекрасно подошло малогабаритное 4-контактное отечественное реле 98.3747-111, которое и по размерам, и по конфигурации контактов совпадало со штатными реле фар моего автомобиля (фото 12):
Удаляем начинку реле, оставляем только контактные ножки (фото 13). Не забываем также удалить гасящий резистор (фото 14):
Приобретаем колодку для стандартного (полноразмерного) реле, они обычно уже с проводами. Припаиваем соответствующие провода к переходнику, для надежности заливаем термоклеем. Также, можно дополнительно защитить провода трубкой-кембриком или гофрой (фото 15-17):
Подключаем реле плавного пуска к переходнику и устанавливаем в блок предохранителей. На фото 18-20 таким образом подключены два реле, ламп ближнего света и противотуманных фар:
Питание ламп дальнего света не переделывал, так как с плавным включением не получится быстро мигать, лампы не успеют разгореться.
Ниже на видео показан результат работы реле 405.3787-02. Видим, что лампы теперь включаются и выключаются плавно, в течение 1 секунды.
В начале второго видео, для иллюстрации, одновременно включаются лампы дальнего и ближнего света, при этом хорошо заметна разница, какие лампы включаются с задержкой, а какие без:
При установке новых реле, я также поставил новые лампы ближнего света и ПТФ. Посмотрим, какой теперь будет их ресурс. В любом случае, включение головной оптики стало смотреться однозначно интереснее.
Надеюсь, данный материал был для вас интересен и полезен.
Всем ровной дороги, до связи!
Добавлено: В продаже появилось также малогабаритное реле 405.3787-04, аналогичное по характеристикам реле 405.3787-02, но в другом корпусе.
Комментарии 133
Приветствую! И как? Продолжает работать? Хотелось бы услышать положительный ответ. Вопросы обусловлены тем, что обжегся на продукции Энергомаш. ДХО — 2 дня исправной работы. Через пол-года отправил назад. Жду возврата денег. Хотел обменять, но такого протокола у них нет. Жду что скажут. Вскрывал колпачок, припаивался под ним.
Приветствую. Реле работают исправно. Лампы с тех пор еще не менял, не перегорали.
Во-первых — это всего на всего 40009-й миф, не подтвержденный ни чем. Нет ни одного исследования, ни одной статьи с практическими сравнительными ресурсными испытаниями по поводу «плавного старта».
Есть подобные вещи, показывающие зависимость срока службы лампы накаливания от напряжения. К примеру если взять срок службы как 100%, а номинал ровно 12В — то при снижении напряжения на 1В срок службы увеличивается до 130%, при увеличении до 14В — наоборот, падает до 70%. Цифры с потолка, но примерно суть и масштабы отражают. Единственный способ весомо продлить срок службы лампы — стабилизировать питание. Однако сделать это для нагрузки в 130-160W — выйдет дороже, чем сменить несколько комплектов H4, плюс надежность на отказ снижается в разы, если не в десятки раз. Вылетит ночью в пути ваша электронная «плавнопускалка» в обрыв — и здравствуй встречный камаз или дерево. Тем более схемотехника от энергомаш-калуга — радиокружок, а не производство, там схемотехники за еду похоже трудятся, видел на своем столе парочку изделий. Больше похоже на труды китайцев середины 90-х.
Во вторых — любая лампа в автомобиле с бОльшей степенью вероятности тупо «стрясется» от вибраций намного раньше, чем от броска тока или чем она светилась бы в спокойных условиях лежа на столе.
Статистики у меня действительно нет, так что время покажет. Пока 2.5 года лампы держатся, еще не менял.
Так и я примерно столько же не меняю, это не показатель. Если каждую ночь в дороге, то за пол года выгорят любые, если ездить в тёмное время пару часов в день, может и на 5 лет хватить. Примерное количество часов указано на коробке от лампы, и это значение не увеличить никакими приблудами. Вся фишка в том, что неизвестно, от чего раньше оторвется истонченная спираль — от вибраций или от броска тока. Намного это срок службы не продлит, а вот на безопасность влияет конкретно. Раз в год и палка стреляет, а головная оптика — не самое удачное место для колхоза.
Во-первых — это всего на всего 40009-й миф, не подтвержденный ни чем. Нет ни одного исследования, ни одной статьи с практическими сравнительными ресурсными испытаниями по поводу «плавного старта».
Есть подобные вещи, показывающие зависимость срока службы лампы накаливания от напряжения. К примеру если взять срок службы как 100%, а номинал ровно 12В — то при снижении напряжения на 1В срок службы увеличивается до 130%, при увеличении до 14В — наоборот, падает до 70%. Цифры с потолка, но примерно суть и масштабы отражают. Единственный способ весомо продлить срок службы лампы — стабилизировать питание. Однако сделать это для нагрузки в 130-160W — выйдет дороже, чем сменить несколько комплектов H4, плюс надежность на отказ снижается в разы, если не в десятки раз. Вылетит ночью в пути ваша электронная «плавнопускалка» в обрыв — и здравствуй встречный камаз или дерево. Тем более схемотехника от энергомаш-калуга — радиокружок, а не производство, там схемотехники за еду похоже трудятся, видел на своем столе парочку изделий. Больше похоже на труды китайцев середины 90-х.
Во вторых — любая лампа в автомобиле с бОльшей степенью вероятности тупо «стрясется» от вибраций намного раньше, чем от броска тока или чем она светилась бы в спокойных условиях лежа на столе.
у меня с блоком плавного пуска лампы живут 18месяцев, а без них и пол-года не могут протянуть! вот и вся суть.
Выше рассказал, почему это — не показатель. Теория — да, есть такая. Можно сказать — миф. Но практически никто никогда не заморачивался сравнительными тестами, потому что эффект экономический по любому — нулевой. Видел тут как то народ, покупавший магнитики на топливную магистраль) Тоже отчитывались, что машины кушать бензина стали меньше. Тут все — аналогично. Вольфрамовая спираль истончается независимо от того, как включается любая лампочка накаливания. Это нормальный процесс. Заметно увеличить срок службы можно только снижением питания на 5-10%. Ну и яркость есс-но снизится тоже заметно) Такая экономия вряд ли кого устроит. Все остальное, типа плавного розжига — не более чем маркетинг, плацебо, религия. Это не мнение. Это физика. Возможно на вашем «блоке» падает вольт-другой, вот и все чудеса. Скрутки, сопротивление на лишних контактах, тонкие сопливые проводочки дают свои доли Ома, и на всем этом падает напряжение. Я наоборот увеличивал сечение проводки и сокращал падение на ней, чтобы ярче светили. Когда мне станет напряжно покупать раз в год комплект H4 за 1,5-2 к.р. — значит пора будет пересаживаться на троллейбус)
Особого смысла для лампы в плавном включении/выключении нет. Для защиты спирали — главное убрать скачок тока при включении, а чтобы убрать падение напряжения на лампе — есть конвертеры напряжений. 
Плавное включение как раз и убирает скачок тока. Плавное выключение — согласен, дает визуальный эффект, не более.
Вредительский девайс. Гасить лампы надо резко.
Другой вопрос, работает ли это в случае галогенок? Ведь у них испаряющийся вольфрам за счет чего_то_там возвращается на место, думаю при определенных условиях.
1. В любом случае, при снижении напряжения даже на 1.5-2В температура нити лампы будет меньше и срок службы больше. Вот насколько дольше, я точно сказать не могу, пусковые токи при холодном включении все равно будут большие. Поэтому плавный розжиг предпочтительнее. Для ДХО применяют также последовательное включение ламп, тогда напряжение на лампах делится пополам и диоды не нужны.
2. Галогенные лампы по сути такие же лампы накаливания, только заполненные газом, что несколько продлевает ресурс.
Другой вопрос, работает ли это в случае галогенок? Ведь у них испаряющийся вольфрам за счет чего_то_там возвращается на место, думаю при определенных условиях.
В условиях недокала по опыту галогенки быстрее выходят из строя. Предполагаю что для того, чтобы работал процесс переноса нужна температура не ниже определенной.