В этой статье расскажу о разработке светодиодного фонаря для автомобиля, о особенностях расчётов и выборе элементной базы. А также о выборе схемотехнического решения.
В прошлой статье «Разработка блока управления боковыми зеркалами автомобиля», которая показалась интересной некоторым читателям, я рассказывал о разработке автомобильного блока. Так случилось, что и сейчас речь пойдёт об автомобильной электронике. Но на этот раз о стоп-сигнале для BMW (просто туда его поставили) на красных светодиодах.
Начало.
Как и в прошлый раз ко мне подошёл товарищ и попросил разработать для его BMW дополнительный фонарь. И, как и в прошлый раз, с его слов было составлено некое подобие ТЗ:
1. Первое и самое главное — фонарь должен иметь треугольную форму.
2. Цвет свечения — красный.
3. Яркость свечения должна быть достаточной.
4. Питание на фонарь подаётся от одного из задних стоп-сигналов.
5. Важно, чтобы его можно было собрать из распространённых деталей, и не ждать доставку особенных.
6. Конечно же, сделать максимально дешёвым.
7. При этом надёжность не отменяется.
8. Дедлайн — через неделю (едет на какую-то автовыставку).
Классические пожелания были записаны и проанализированы. Вот что из этого получилось и какой план действий был составлен:
1. «Фонарь треугольной формы». С этим проблем нет, лишь бы были габариты и чем точнее – тем лучше. Всё было измерено и передано мне.
2. «Цвет свечения — красный». Цвет свечения может быть задан как самими светоизлучателями, так и светофильтром после них. Необходимо продумать конструктив. Судя по габаритам фонаря, становится ясно, что закладывать лампы накаливания и равномерно рассеивать свет с фильтром нормально не получится.
3. «Яркость свечения должна быть достаточной». Такие пункты люблю больше всего. Настолько всё субъективно. Однако есть требование к осветительным приборам на машине. Их обязательно надо изучить. А заодно и провести некоторые испытания с визуальным контролем.
4. «Питание на фонарь подаётся от одного из задних стоп-сигналов». Ищу схему BMW, смотрю напряжение и ток в цепи. Необходимо попасть в бюджет предохранителя линии.
5. «Хотелось бы собрать фонарь из распространённых деталей, и не ждать доставку особенных». На дворе кризис, деталей нет, но, благо, устройство не кажется сложным.
6. «Сделать максимально дешёвым». Не помню, что бы кто-то просил об обратном ?. Ну, не такое, как было бы до возвращения в родную гавань Крыма (2014 год), но более-менее адекватным реалиям.
7. «Должен быть надёжным». Уточняю место его расположения и иду к ГОСТам из моей предыдущей статьи.
8. «Дедлайн через неделю». Так как я разработчик, а не нытик, не буду жаловаться на сроки. Для меня это всего лишь значит, что нужно платы заказывать завтра – послезавтра, а детали все брать из наличия в магазинах.
Корпус, габариты изделия и излучатели.
Сразу договорились, что корпус мой товарищ сделает сам, а с меня только рабочая плата. И даже ещё проще, из-за спешки с меня только плата, BOM и сборочный чертёж. Это максимально удобный вариант работы для меня. Не получаю драйва от сборки и корпусирования.
Для начала получил необходимые габариты устройства. Из этого сразу стало понятно, что ни о каких лампах накаливания речь не идёт, да и потреблять светодиоды будут намного меньше тока, что пригодится для встраивания в бортовую сеть параллельно уже имеющимся фонарям. Отсюда принимается концептуальное решение: применять светодиоды.
Далее была найдена схема машины (не знаю, откуда, наверное, хакеры помогли, но заказчик предоставил необходимые схемы BMW), изучена цепь питания и номиналы предохранителей. Получилось, что схема авто имеет хороший запас по мощности и мне есть куда размахнуться.
После этого решил определиться с светодиодами. Сроки такие, что выбрать нужно было из наличия в магазине, это сразу сильно сузило фильтр подбора элементов. Без всякой рекламы: просто зашёл в ближайший «Чип и Дип» и купил там разных светодиодов, примерно подходящих для решения задачи. В тот же день отправил их заказчику для выбора подходящего ему по цвету свечения, углу излучения и яркости.
После изучения требований к осветительным приборам и внутренним разговором со здравым смыслом, было проведено несколько экспериментов по интенсивности их излучения через имеющиеся пластиковые стёкла. Были выбраны SMD-диоды, которые устроили и заказчика и не противоречили требованиям закона. Кстати говоря, проведя сравнение диодов, мой товарищ тоже сделал несколько интересных выводов по будущему конструктиву фонаря. О этом расскажу в самом конце статьи, когда доберёмся до корпуса.
Схема
Итак, я знаю всё необходимое для разработки схемы устройства.
Вводные такие: 52 светодиода ТО-3228BC-MRG. Увы, но даташит на эти светодиоды очень, мягко говоря, слабый. Две страницы, с полезной информацией одна из них. Параметры приведены лишь для температуры 25 градусов по цельсию. Зависимостей и графиков никаких нет. Из полезных данных можно выделить то, что рабочий температурный диапазон данного изделия соответствует необходимому для устройства, прямое напряжение через диод находится в пределах от 1.8В до 2.4В, номинальный прямой ток 20мА и структура кристалла AlGaInP. Многих удивит, почему я структуру кристалла указал в полезных параметрах, ведь на неё вообще мало кто смотрит. Но вот почему: температурный диапазон работы фонаря должен быть в пределах от -40°С. до +80°С. Ответственные производители светодиодов приводят графики зависимости падения напряжения на диоде от температуры. На мои же диоды такого нет, ну, хотя бы, указали структуру кристалла (Aluminium gallium indium phosphide), на котором его произвели. Быстро нахожу в интернете температурную зависимость для AlGaInP и вижу, что она 10мВ/°С, и считаю:
Получается, что реальное падение напряжения на одном диоде для моего прибора во время эксплуатации будет в таких пределах: от 1.45В до 2.65В (диапазон шире, чем указан в даташите: 1.8В до 2.4В).
Почему я не соединяю диоды последовательно по 3-4 штуки и не подключаю через резистор к питанию аккумулятора, надеюсь все поняли, как и то, почему не использую всеми любимые микросхемы от PowTech типа PT4115.
Самое простое решение – взять повышающий DC/DC, обратную связь сделать с шунтирующего резистора (сделать из него источник тока) и соединив последовательно диоды в гирлянду подсоединить к нему. А есть даже специализированные микросхемы для подобных целей. Но поступи я так, не было бы и этой статьи – о чём тут писать то тогда... Но вот интересный момент, не всё так просто и очевидно оказывается.
Получается, что, соединив последовательно 52 светодиода мне необходимо иметь для их питания напряжение в худшем случае 52*2.65=137.8В не слабо так, согласитесь. А вот такие драйверы уже надо поискать... Решение сделать несколько линеек, с разными драйверами, например 2 по 70В драйверами приемлемо, но тоже не очень популярная вещь. И купить их не просто, и делать самому на MCP тоже не хочется. Не говоря уже о том, чтобы сделать это всё за день.
И ещё один важный момент, из-за которого так не хочется делать – стоит одному диоду в цепи сгореть, как весь фонарь перестанет работать. А такое у китайских «дружественных» диодов бывает, увы, не редко.
И, пожалуй, самое простое и старое решение пришлось как раз кстати. Считаю сколько диодов можно соединить последовательно, чтобы запитать от стабилизатора тока.
Получается 4 штуки вполне приемлемо, при том, что на резисторе измерения тока и на переходе транзистора упадёт некоторое напряжение.
Для многих приложений пришлось бы использовать 3 диода, так как падение на стабилизаторе тока даёт нормальную функциональность устройства при 11-12В, но в данном случае машина очень хорошо следит за напряжением на аккумуляторе и тут можно не переживать за сильное его падение. А вот максимально оно поднимается прилично и чаще всего находится около 14В. Да и 52 отлично делится на 4, что даёт 13 независимых блоков.
Получился такой концепт схемы. На одинаковых самых распространённых и дешёвых транзисторах. Минимум расчётов и всё готово.
Ток через диоды всегда будет 20мА, а на транзисторах в самом худшем для них случае, будет рассеиваться 164мВт.
Тут главное не забыть, что транзисторы будут работать в активном режиме. И если в документации написано, что ток коллектора 500мА – это не значит, что 20 мА он будет нормально переваривать в активном режиме. Необходимо обратить внимание на допустимую рассеиваемую мощность. Например, для BC817 в корпусе SOT23-3 указана мощность 250 мВт, но если присмотреться, то увидим, что она для температуры 25°С. У меня температурный диапазон приличный. Нахожу график зависимости рассеиваемой транзистором мощности от температуры окружающей среды и вижу, что для разной топологии два графика.
Мне не составит труда сделать хороший теплоотвод к коллектору и эмиттеру транзистора, так что смотрю на «кривую» под номером 1. Попадаю в область безопасной работы. Кстати, это уже потом при оптимизации схемы получилось, так как у меня резистор измерения тока не 30 Ом для 20 мА, а 33 Ом (значение из стандартного ряда резисторов) то и ток будет немного меньше 20мА, а стало быть, и мощность будет чуть ниже.
На входе сложной защиты решено не делать, так как сам стабилизатор тока, в какой-то мере и есть защита, а вот от «иголок» по питанию защитит конденсатор, а от отрицательных выбросов обычный диод.
Что интересно; вообще говоря, если импульсы из ГОСТа
подавать на конденсатор и диод, то они не полностью погасятся, есть там разные
сложные переходные процессы, и пройдут на транзисторы – этого мне совсем не
хотелось бы. Но я отлично знаю под какое авто это делается, знаю его схему и
даже длину проводов.
Две формулы для расчёта индуктивности провода. Первая для постоянного, вторая
для переменного токов.
где μ0 – магнитная постоянная = 4π•10-7 Гн/м, l – длина провода, м, d – диаметр провода, м.
В моём случае индуктивность провода составила почти 10мкГн. Ну не плохо, согласитесь?
И это дополнительная страховка. На схеме естественно не прорисовано, но перед входом моей схемы есть индуктивность 10мкГн.
Схема защиты для этого блока получилась очень несложной:
Вот так выглядит схема всего блока:
BOM на плату оказался достаточно простым и всё было в наличии в магазинах.
Цена на элементы составила примерно:
728р. (14р.*52) светодиоды + 16р. диод + 130р. (5р.*26) транзисторы (резисторы и конденсатор даже считать не стал) = 874 рубля. И это на штучное изделие в нынешнее-то многополярное время! Сильно дешевле платы. На мой взгляд BOM получился отлично оптимизирован, а устройство простое и из самых популярных элементов. Заказ платы в Китае сделал бы устройство ещё дешевле.
Плата
Далее работа с платой. Тут мало интересного. Главное не забыть сделать увеличенную область подключения для транзисторов и расположить светодиоды так, чтобы при попадании бракованного диода и прекращении работы одного из 13 элементов – это не сильно было заметно визуально.
Для любителей картинок, вот что получилось:
Те, кто занимаются разработкой электроники, наверняка, догадались, что на схему и плату ушло не более 2-3 часов. Далее модель платы отправил заказчику, получил утверждение всех габаритов и отправил плату в производство. Без всякой рекламы: плату заказал в «Резонит» по суперсрочному, так как времени было в обрез. И на этой же неделе платы были у меня.
Сборка
Закупкой BOM, монтажом и разработкой корпуса я не занимался, как написал выше, но вкратце опишу как всё прошло. Закупка элементов, монтаж платы, отмывка, проверка и лакировка заняли меньше дня. Больше всего времени заняла лакировка, так как лаку между нанесениями слоёв необходимо давать время высохнуть.
Несколько фото готовой платы:
Да, лакировать плату со светодиодами неудобно, но возможно.
Корпус
Этот процесс я не имел счастья лицезреть, но рассказать смогу. С корпусом, как мне видится, было намного интереснее.
Был куплен диффузор на машину, но не с фонарём, а с муляжом фонаря. Что-то типа коробочки с красным стеклом. Из бампера была извлечена заглушка-фонарь и образмерена. При разборе фейкового фонаря лопнуло само стекло.
Принято решение взять оргстекло 1.5см толщиной и замоделить стёклышко, а потом на станке ЧПУ отфрезеровать оргстекло.
Так было и сделано. Потом разными наждачками вышкурено, сверху покрыто красной витражной плёнкой. Поверх неё натянут полиуретан. Дабы всё это хозяйство стало суперглянцевым и хорошо выглядело.
Присланные светодиоды были включены за стеклом и стало понятно, что все они не подходят в том виде, как они есть. Необходим рассеиватель света. Без него получались точки на стекле. В интернет-магазине светодиодного освещения был подобран рассеиватель и заказан. После проверки с ним получилась желаемая картина – равномерный свет.
Лакированная плата была установлена в корпус и с нижней стороны залита мягким компаундом. Так мы получили хорошую герметизацию на большой температурный диапазон. Увы, фото этого процесса нет.
На плату положили рассеиватель света. Далее была проложена герметизирующая резинка и установлено отфрезерованное оргстекло. Всё собрано и подключено.
Не очень простой путь, но, думаю, получилось круто. Я потом с трудом поверил, что на машине стоит тот самый крафтовый фонарь.
На мной взгляд получился проект, который, надеюсь, будет кому-то интересен. По крайней мере два человека точно остались довольны да и на выставке машина многим понравилась.
На момент публикации статьи фонарь проработал уже три самых сложных сезона без нареканий: лето, осень и зиму.
