Мабуть кожен тавровод знає, наскільки спрощена в цьому автомобілі пічка. Вентилятор має лише три швидкості і навіть перша — занадто гучна. Температура мала б регулюватися краном, але зловити комфортну дуже важко: тугий хід ричага плюс малий діапазон регулювання дають лише два положення: "ташкент" і "викл". На додаток, ефективність опалючача дуже залежить від швидкості, тому, при коротких поїздках по місту іноді не встигають розмерзнутися запотілі вікна, а в довгих мандрівках починають плавитися тапки.
Цей проект — спроба побороти таку несправедливість. Я поставив собі за мету розробити електронний блок регулювання, який можна було б встановити в Славуту замість штатних органів керування та крану.
Трохи поясню, якими міркуваннями я керувався при розробці:
Варто попередити, що я складаю з себе відповідальність за будь-яке пошкодження здоров’я чи майна, що виникло під час повторення конструкції. Тож, дійте на свій страх і ризик, перевіряйте все уважно, та покладіть вогнегасник поближче.
Розроблений блок керування опалювачем салону має наступний функціонал:
Поблочна електрична схема під торпеду "стандарт" представлена нижче (клікніть, щоб відкрити більшу в новій вкладці):
Схема під торпеду "люкс" відрізнється лише тим, що світлодіоди індикації підключені на інші виводи мікроконтролера, регулятор "тепло-холодно" дзеркально розвернуто та регулятор вентилятора виведено на роз'єм.Низьковольтна частина схема живиться за допомогою лінійного стабілізатора 78L05 у стандартному включенні. На вході встановлено додатковий коненсатор та діод щоб відфільтрувати можливі сплески та імпульсні завади. Конденсатор C4 бажано встановити якнайближче
Виводи, що не використовуються, сконфігуровано в прошивці як виходи, тому можна залишити не підключеними. Виводи, що використовуються при прошивці також залишені вільними.
Датчик температури являє собою елементарний резистивний дільник напруги, терморезистор NTC підключено у верхнє плече, вихід — з середньої точки йде на АЦП мікроконтролера. Базовою прийнята напруга живлення +5В.
Змінний резистор POT1, яким встановлюється бажана температура — так само, включено, як дільник напруги живлення.
Регулятор обертів — потенціометр з вимикачем POT2. Підлаштовним резистором TRIM1 задається стартова частота обертів. Бажано встановити її такою, щоб забезпечувався стабільний пуск двигуна, навіть за низьких температур.
Для фільтрації завад, всі аналогові входи зашунтовано керамічними конденсаторами.
Режими роботи та підсвітка організована світлодіодами, підключеними безпосередньо до виходів МК. Це не обов’язкова опція і світлодіоди LED1...LED3 разом з резисторами R2, R3, R11 можна і не впаювати, але я рекомендую використати червоний світлодіод LED1 та зелений LED2 для індикації режимів термостату та підсвітки. Світлодіод LED3 можна встановити, щоб було видно стан електроклапану. Яскравість кожного світлодіода можна встановити комфортну, підібравши опір відповідного резистора, але не менше 220Ом.
Електроклапан вмикається по сигналу від мікроконтролера за допомогою N-канального польового транзистора Q1, включеного по типовій схемі. Оскільки навантаження індуктивне — паралельно клапану встановлено шунтуючий діод.
ШІМ-керування швидкістю вентилятора здійснює пара P-канальних MOSFET'ів Q5, Q6, увімкнених паралельно. Для якнайшвидшого перезаряду ємності затворів, їх перемикає між землею та напругою бортової мережі каскад на біполярних транзисторах Q2, Q3, Q4. Для шунтування викидів при перемиканні індуктивного навантаження встановлено спарений діод Шотткі, який повинен бути розрахований на струм щонайменше 2х10А. Все це дало змогу суттєво зменшити нагрівання при доволі високій частоті регулювання (15.6кГц), тому радіатор не є обов’язковим.
У випадку сильного нагріву спареного шунтуючого діода, можна спробувати зменшити піки індуктивних викидів, встановивши конденсатор С7 ємністю 10нФ...1мкФ та з робочою напругою не менше 50В. Але у більшості випадків все повинно нормально працювати і без нього.
При розробці я намагався уникати використання дорогих компонентів, або таких, які важко знайти. Майже весь перелік елементів можна легко замовити в інтернет-магазинах радіодеталей. Більшість компонентів — SMD. Так, це дещо ускладнює монтаж, але суттєво зменшує загальні розміри та конструкцію.
Один з найдешевших мікроконтролерів, у якому є необхідна кількість АЦП та апаратний модуль ШІМ.
Для ШІМ-керування електродвигуном пічки використано два силових P-канальних MOSFET'а, увімкнених паралельно. Навіщо аж два таких потужних?
Підключення блоку планувалося до штатної проводки замість стандартного перемикача швидкості вентилятора. Через те, що там мотор постійно підключений до маси і керується плюсом - потрібен саме P-канальний MOSFET.
Також, при макетуванні було виявлено, що електромотор вентилятора пічки досить гучно "співає", якщо живити його імпульсами звукових частот. Тому, щоб запобігти паразитному звучанню, частота широтно-імпульсної модуляції обрана доволі високою. Це, вкупі з високою ємністю затвора силових транзисторів призвело до збільшення нагріву, якого можна було позбутися або посадивши транзистор на радіатор, або включивши кілька штук в паралель.
Для блокування індуктивних викидів з електродвигуна можна використати будь-який спарений діод Шотткі в корпусі TO-220 з спільним катодом. Для зменшення нагріву діод має бути розрахований на прямий струм не менше 2х10А.
Для керування електроклапаном обрано недорогий N-канальний MOSFET у корпусі SO-8. Його цілком достатньо, щоб абсолютно без нагріву пропустити пару ампер. Теоретично, замість нього можуть бути використані менш потужні IRF7805ZPbF або IRF7809AVPbF, але я їх не тестував.
У якості датчика температури використано недорогий терморезистор з опором 10кОм при 25˚С. Прошивка написана для терморезистора з коефіцієнтом крутизни характеристики 3600. Якщо не вдасться знайти саме такий — можна використати NTC з опором 10кОм та коефіцієнтом 3300...4100, але при цьому діапазон регулювання температур звузиться або розшириться приблизно на ±1˚С. Також бажано ставити послідовно з терморезистором опір з похибкою не менше 1% (R1 у схемі). Чому не цифровий датчик?
Так, можна було б використати цифровий датчик, наприклад DS18B20. Я бачу в ньому лише дві переваги: він точніший та видає одразу дані, без необхідності переводити нелінійно залежний опір в температуру складним алгоритмом. Але при цьому має досить велику інерційність через великий корпус, а щоб її прибрати — бажано організовувати примусовий обдув вентилятором, чи розміщуючи його в якомусь каналі з розрідженням.
Порівняно з цифровим датчиком, NTC терморезистор дешевший і, найголовніше, набагато менш інерційний, бо має дуже мініатюрний корпус, як намистинка 1мм в діаметрі.
Для керування обертами вентилятора підходить потенціометр з лінійною характеристикою (префікс b) та будь-яким опором в діапазоні 1...50кОм (наприклад b10k). Щоб початок регулювання відчувався тактильно, для кращої механічної фіксації та для можливості задавання початкових обертів використано потенціометр з вимикачем RV17-K4. Тут є невелика плутанина, в деяких магазинах він може мати назву RV17-K2, тому бажано перевіряти при купівлі. Даний потенціометр повинен мати діаметр корпусу 17мм та виводи для вертикального встановлення на плату прямі, а не Г-подібні.
У виконанні "люкс" цей потенціометр винесено поза плату, тому можна використати будь-який, що має вимикач та вісь довжиною 20мм.
Дещо складніше з потенціометром, яким задається температура. Він також повинен мати лінійну характеристику (префікс b) та будь-який опір в діапазоні 1...50кОм (наприклад b10k). В поточному варіанті плата розведена під лінійний потенціометр ALPS RS6011DP довжиною 75мм. І, хоч він достатньо дорогий та дефіцитний, проте є купа китайських копій, які можна знайти на aliexpress чи ebay за запитами, на кшталт "75mm b10k sliding potentiometer", "75mm b10k behringer", "75mm b10k fader" і тому подібних. Або можна купити отакий модуль і випаяти з нього. На додачу, тут в комплекті є ручка.
Головний виконавчий орган в цій системі - електричний клапан, який встановлено замість штатного крану пічки. Використано нормально закритий електромагнітний клапан 2w-160-15, з котушкою на 12В, див. Фото 1, Фото 2, Фото 3. Виготовлений з латуні, має достатню пропускну здатність (діаметр з’єднання — 1/2 дюйма), розбірний, має можливість заміни як котушки, так і мембрани. Це найдорожчий компонент з усього набору, на aliexpress коштує порядка $16-$20, і бажано замовляти саме там, бо в нас — значно дорожче. Чому не електрокран з Газелі?
По-перше, ті електрокрани являють собою звичайний механічний кран з приводом від моторчика та платкою керування. Виготовлені доволі неякісно, регулярно ламаються, течуть, тому водії "Газелей" часто викидають їх геть, чи замінють сантехнічними.
По-друге, в Україні чи Китаї тих кранів не виробляють.
Проте, якщо хтось дуже хоче, такий кран можливо підключити замість електроклапана через реле.
Всі інші компоненти — загальновживані, та не потребують особливого обґрунтування. SMD резистори — в типорозмірі 0805. Резистор R1 бажано підібрати з похибкою 1%. SMD конденсатори — в типорозмірі 0805. Бажано використати Low ESR електролітичні конденсатори.
При замовленні радіоелементів, за винятком електроклапану та витратних матеріалів (роз’ємів, проводу, текстоліту припою та ін.) цілком реально вкластися у 250 гривень ($10). Приблизний перелік елементів.
Part Value Device Package C1 100uF 35V CPOL-EUE2.5-7 E2,5-7 C2 100uF 35V CPOL-EUE2.5-7 E2,5-7 C3 100uF 35V CPOL-EUE2.5-7 E2,5-7 C4 100n C-EUC0805 C0805 C5 100n C-EUC0805 C0805 C6 100n C-EUC0805 C0805 C7 100n C-EUC0805 C0805 C8 100n C-EUC0805 C0805 D1 1n4007 DIODE-SOD123 SOD123 D2 1n4007 DIODE-SOD123 SOD123 D3 MBR20100CT DIODE-2AC|CATO220H TO220AB IC1 78L05F 78L05F SOT89 IC2 PIC16F684 PIC16F676SL SO-14 LED1 RED LED3MM LED3MM LED2 BLUE LED3MM LED3MM LED3 GREEN LED3MM LED3MM POT1 Temp b10k TRIM-DOUBLESLIDE75 SLIDEPOT-75-DOUBLE POT2 b10k (Fan) RV17-K2RV17-K4 RV17-K4 Q1 IRF7831PbF N-MOSFET-SO8S SO-08 Q2 BC817 BC817-40-NPN-SOT23-BEC SOT23-BEC Q3 BC817 BC817-40-NPN-SOT23-BEC SOT23-BEC Q4 BC807 BC807-40-PNP-SOT23-BEC SOT23-BEC Q5 IRF4905 IRF4905 TO220BH Q6 IRF4905 IRF4905 TO220BH R1 10k 1% R-EU_R0805 R0805 R2 470 R-EU_R0805 R0805 R3 1k R-EU_R0805 R0805 R4 100 R-EU_R0805 R0805 R5 10k R-EU_R0805 R0805 R6 1k R-EU_R0805 R0805 R7 10k R-EU_R0805 R0805 R8 1k R-EU_R0805 R0805 R9 22 R-EU_0207/10 0207/10 R10 22 R-EU_0207/10 0207/10 R11 1k R-EU_R0805 R0805 SENSOR 10k b3600 MF52A103F3600 TRIM1 10k (Fan0) TRIMPOTPTH TRIM_POT_PTH
Всі електронні компоненти розміщено на друкованій платі (клікніть, щоб відкрити більшу в новій вкладці):
На зображенні представлено плату під торпеду "стандарт", вигляд зі сторони вивідних компонентів.
Плата під торпеду "люкс" дещо відрізняється. На ній світлодіоди індикації підключені на інші виводи мікроконтролера, регулятор "тепло-холодно" дзеркально розвернуто та регулятор вентилятора винесено поза плату.
Плата одностороння, зручна для домашнього виготовлення за допомогою "ЛПТ-технології". Бажано виготовляти з стеклотекстоліту FR-4 товщиною не менше, ніж 1,5мм.
Для виготовлення в домашніх умовах слід роздрукувати чорно-біле зображення: стандарт | люкс, або PDF-файл стандарт | люкс як є, не масштабуючи та не відзеркалюючи. Найкращі результати в мене виходять при друку в копі-центрі на глянцевому папері кольоровим лазерним принтером, але в домашніх умовах має бути достатньо і чорно-білого лазерника зі свіжим картриджем.
Електролітичні конденсатори слід встановлючати "лежачи". Силові транзистори та спарений діод — також, крім того, обов’язково слід прикрутити їх до плати, щоб вібрація не зруйнувала доріжки. Гайки та гвинти кріплення — розміром М3. Їх можна не ізолювати від корпусів, але обов’язково треба прослідкувати щоб вони не торкалися доріжок на іншій стороні плати. Можна, але не обов’язково, мазнути під Q5, Q6 та D3 трішки термопасти. І, якщо вже дуже хочеться абсолютного холоду — можна між платою та корпусами силових елементів встановити невеликий радіатор у вигляді Г-подібної пластини з трьома отворами у короткій частині. Ізолювати його від корпусів транзисторів та діоду не потрібно, але обов’язково треба прослідкувати, щоб не замкнути виводи, чи не трокнутися доріжок на іншій стороні плати.
Мікроконтролер можна прошивати прямо на платі, для цього передбачені контактні майданчики, до котрих можна підпаяти шлейф біля відповідних виводів.
Фото зібраної плати:
Для написання коду та програмування мікроконтролера використовувалося безкоштовне ПЗ MPLAB X IDE. Воно має в своєму складі просту утіліту для програмування MPLAB IPE. В якості програматора використано недорогий клон PICkit3. Інше програмне та апаратне забезпечення не тестувалось, але повинно працювати, якщо має можливість роботи зі стандартними *.hex-файлами та вміє працювати з мікроконтролером PIC16F684.
Далі описана індикація режимів за умови, що встановлено світлодіоди: червоний LED1 і зелений LED2, та відповідні резистори R2, R3.
Світлодіод LED3, якщо його встановлено, світитиметься протягом часу, коли електроклапан відкрито.
Вентилятор пічки працює незалежно від будь-яких режимів термостату та встановленої температури. Достатньо, щоб було увімкнено запалювання.
Встановлюється система елементарно. Відкручується два шурупи з головкою на 10 і від'єднується тросик приводу крана. З-під панелі витягується штатний блок керування опалюванням салону. До роз'єму, від'єднаного від регулятора вентилятора пічки, підключається живлення та вихід, як показано на фото нижче:
Верхній контакт — подвійний провід живлення модуля (+12V на схемі). Крайній лівий контакт — вихід на мотор вентилятора (MOTOR+ на схемі). Маса (GND на схемі) прикручується на шпильку кріплення пічки. Пара проводів виходу на електроклапан (VALVE+ та VALVE- на схемі) протягується в моторний відсік через отвір з якого витягнуто тросик.
Після цього, блок просто прикнучується парою 4мм саморізів на штатне місце:
Під капотом електроклапан до шлангів під’єднується через перехідні штуцери зовнішнім діаметром 18...20мм які треба заздалегідь вкрутити в клапан, добре ущільнивши. Для цього добре підходить льон, а ще краще — трохи мазнути льон силіконовим герметиком.
Для рівномірнішого розсіювання підсвітки можна приклеіти на движковий резистор смужки білої матової ізострічки, а на декоративну панель якогось матового розсіюючого матеріалу приблизно ось так. Якщо потрібно чітко бачити відкрито чи закрито клапан, можна навпроти відповідного світлодіода просвердлити тонкий отвір у декоративній панельці та вживити світловод у вигляді стержня акрилу, чи товстої ліски. В результаті можна добитися рівномірної та гармонійної з іншим освітленням підсвітки: фото 1, фото 2.