Модернізація системи освітлення автомобілів з використанням світлодіодів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНА РОБОТА З ТЕМИ:

МОДЕРНІЗАЦІЯ СИСТЕМИ ОСВІТЛЕННЯ АВТОМОБІЛІВ З ВИКОРИСТАННЯМ СВІТЛОДІОДІВ

ВСТУП

Стрімкий розвиток світлодіодних технологій вже давно дозволяє пропонувати кінцевим споживачам адекватну заміну традиційним освітлювальним приладам. Можливість покупців порівняти показники світлового потоку світлодіодної лампи з традиційною лампочкою розжарювання в своєму автомобілі, як правило, дає перевагу світлодіодним варіантами.

Світлодіодні лампи призначені для прямої заміни стандартних лампочок у ліхтарях автомобіля. Принцип роботи цих джерел світла ґрунтується на фізичному ефекті виникнення світлового випромінювання при пропущенні електричного струму через pn-перехід. При цьому довжина хвилі максимуму в спектрі випромінювання, тобто колір світіння, однозначно залежить від типу напівпровідникових матеріалів, з яких створено світловипромінюючий pn-перехід. На сьогоднішній день вже існують напівпровідникові матеріали, що дозволяють отримати широкий набір кольорів: блакитний, жовто-зелений, смарагдово-зелений, жовтий, бурштиновий, червоно-оранжевий, оранжевий, червоний.

У ламп розжарювання рівень світловіддачі - 12...15 Лм/Вт, а час напрацювання - 2000 годин, ККД - 1,5...3 %, вимагають використання світлофільтрів для отримання кольорового світла. Наведена вище сукупність безумовних плюсів світлодіодних ламп призводить до того, що все більша кількість автомобільних виробників вибирає між традиційними, вже віджилими своє, лампами розжарювання, і напівпровідниковими твердотільними лампами (світлодіодними), що є продуктом високих «ноу-хау».

1. АНАЛІЗ СИСТЕМИ ОСВІТЛЕННЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ

1.1 Призначення та роль системи освітлення у легковому автомобілі

освітлення автомобіль світлодіод

Головне завдання приладів освітлення - позначення габаритів автомобіля при русі в темний час доби і в умовах обмеженої видимості, а також висвітлення дороги і внутрішніх приміщень автомобіля (салон, багажник).

Більшість приладів освітлення працює при включеному вимикачі запалювання. Незалежно від вимикача запалювання працюють: сигналізація дальнім світлом фар, стоп-сигнал, зовнішнє освітлення, плафони освітлення салону та індивідуального підсвічування, аварійна сигналізація, звуковий сигнал і штепсельна розетка для переносної лампи.

Перемикачі світла служать для включення і виключення споживачів системи освітлення та світлової сигналізації. Фари, підфарники, задні ліхтарі і освітлення приладів включаються центральним перемикачем на щитку приладів. Центральний перемикач повзункового типу складається з корпусу, колодки з контактними пластинами, пружини, кулькового фіксатора, тяги з кнопкою, кришки з ізоляційного матеріалу з контактами всередині і гвинтами зовні і реостата. Для включення фар і підфарників необхідно переміщати за допомогою тяги колодку з контактними пластинами, яка може мати три положення:

- тяга з кнопкою всунута до відмови - освітлення вимкнене (вихідне положення);

- тяга з кнопкою висунута наполовину;

- тяга з кнопкою висунута до відмови - включені фари (ближнє або дальнє світло, залежно від положення ножного перемикача), задні ліхтарі, освітлення щитка приладів.

Яскравість освітлення щитка приладів регулюється peостатом при повороті кнопки перемикача.

Для перевірки включення дальнього світла служить контрольна лампа, яка спалахує на щитку приладів одночасно з включенням дальнього світла. Переміщення автомобіля з ряду в ряд, праві і ліві повороти і ряд інших маневрів, пов'язаних зі зміною напрямку руху автомобіля, представляють собою значну небезпеку, якщо їх виконувати без попередження інших учасників руху.

Покажчики поворотів призначені для попередження про майбутні маневри автомобіля. Зазвичай покажчики суміщені з підфарниками і задніми ліхтарями і подають сигнал миготливим світлом.

У світловому покажчику поворотів лівий якірець і два контакти замикають і розмикають ланцюг сигнальних ламп, а правий додатковий якірець з контактами забезпечує роботу контрольної лампи.

При замиканні перемикачем ланцюга сигнальних ламп струм від джерела поступає через лампи, обмотку, минаючи контакти (вони розімкнуті), на резистор, ніхромову струну, лівий якірець і на джерело струму. Так як струм проходить через резистор і струну, накал нитки лампи буде невеликий, а струна під дією струму нагрівається, подовжується і дає можливість лівому якірці притягнуться до сердечника, а контактам замкнутися. При такому положенні струм на лампи поступає через замкнуті контакти, минаючи резистор, і вони будуть світитися яскравим світлом. Знеструмлена струна, охолоджуючись, коротшатиме і знову розімкне контакти, при цьому накал нитки лампи зменшиться. Замикання й розмикання контактів, а отже, і миготіння сигнальних ламп покажчиків поворотів, поки вони включені, відбуватиметься 60…120 разів на хвилину. При збільшенні сили струму в обмотці сердечника, тобто при замкнутих лівих контактах, додатковий якірець притягується і замикає контактами ланцюг контрольної лампи. Після розмикання лівих контактів сила струму в обмотці сердечника зменшується і праві контакти розімкнуться.

Стоп-сигнали спрацьовують при натисканні на педаль гальма. При цьому гальмівна рідина під тиском надходить під діафрагму і прогинає її. Діафрагма через шток переміщує контактну пластину і замикає контакти ланцюга стоп-сигналу - лампи спалахують. При розгальмуванні, коли тиск рідини припиняється, пружина віджимає контактну пластину і ланцюг розмикається.

Далеке і ближнє світло фар включається за допомогою допоміжних реле. Керуюча напруга на обмотки реле подається від перемикача світла фар, якщо натиснута права клавіша перемикача зовнішнього освітлення. Незалежно від положення клавіш перемикача можна короткочасно включати дальнє світло фар, відтягуючи на себе важіль перемикача світла фар. При цьому напруга до контакту перемикача подається від контакту вимикача запалювання. Протитуманні фари можна включити лише в тому випадку, якщо включено зовнішнє освітлення.

Габаритний світло увімкнено, якщо натиснуто перемикач зовнішнього освітлення. Лампи габаритного світла і стоп-сигналу запитані через реле контролю справності ламп в монтажному блоці. Якщо яка-небудь з ламп перегорить чи порушиться контакт в патроні або ланцюзі живлення, в блоці контролю загоряється відповідний індикатор. Якщо реле контролю ламп немає, замість нього повинні стояти перемички.

Покажчики повороту правого або лівого борту включаються перемикачем. У режимі аварійної сигналізації вимикачем включаються всі покажчики повороту. Миготіння ламп забезпечується реле-переривником в монтажному блоці.

Лампи ліхтарів освітлення номерного знака й багажника включаються одночасно із зовнішнім освітленням, але підключені в обхід реле контролю ламп, тому їх справність не діагностується.

Лампа підсвічування речового ящика включається при включеному запалюванні вимикачем під кришкою. Напруга до вимикачів ламп плафона освітлення салону та індивідуального плафона водія подається також при включенні запалення. Крім того, лампа освітлення салону загоряється, якщо відкрита одна з дверей і перемикач плафона знаходиться у відповідному положенні.

Підсвічування приладів включається одночасно з включенням зовнішнього освітлення. Яскравість ламп підсвічування регулюється реостатом на панелі приладів. Лампи ліхтарів заднього ходу загоряються, якщо включено запалювання і замкнутий вимикач заднього ходу, розташований на коробці передач.

1.2 Елементна база системи освітлення легкового автомобіля

Характерною особливістю приладів освітлення і сигналізації, якими оснащується кожен сучасний автомобіль, є те, що постійний струм напругою 12 В подається до них тільки при включенні відповідного тумблера або перемикача, розташованого в салоні автомобіля в зручному для водія місці. Наприклад, перемикачі фар і покажчика поворотів розміщені на рульовій колонці, тумблер вмикання обігріву заднього скла - праворуч від керма на панелі.

До приладів освітлення сучасного автомобіля відносяться:

- фари або блок-фари;

- лампи освітлення номерного знака;

- лампи освітлення салону;

- лампа освітлення багажника;

- лампа освітлення підкапотного простору;

- задні ліхтарі.

Складовими елементами блок-фари є корпус, в якому вона змонтована, розсіювач і відбивач (рис. 1.1). Усередині корпусу в спеціально призначеному роз'ємі (гнізді) знаходиться лампа, яка працює в двох режимах: ближнє і дальнє світло фар. Водій вибирає необхідний режим за допомогою відповідного перемикача. Всередині блок-фари є лампочка габаритного вогню, призначена для позначення габаритів автомобіля. Для включення габаритних вогнів водій використовує спеціальний перемикач або тумблер.

Рисунок 1.1 - Автомобільна фара

Лампа автомобільних фар складається з цоколя з фланцем, колби, заповненої інертними газами, двох вольфрамових ниток розжарювання - далекого і ближнього світла і металевого екрана, що знижує ймовірність засліплення водіїв зустрічних транспортних засобів (рис. 1.2). Також застосовуються лампи і без екрану.

Одним кінцем кожна нитка розжарення припаяна до цоколя і забезпечує з'єднання з корпусом автомобіля. Інші кінці ниток припаяні до контактів. Фланець має виріз, необхідний для правильної установки лампи в оптичному елементі фари. Лампи інших приладів освітлення мають штіфтовий цоколь. Такі лампи мають одну або дві нитки розжарювання. При установці лампи в патрон два штифта лампи входять в Г-образні вирізи патронів і зусиллям пружини контактної пластини проводів лампа утримується в патроні.



Рисунок 1.2 - Типи ламп для автомобільних фар

Однониткові лампи позначаються А121, А1221 і т.п., а двухниткові лампи - А124540, А12216 і т.п. Буква А вказує, що лампа автомобільна, цифра 12 - дванадцятивольтова, останні цифри вказують потужність у ватах кожної нитки розжарювання.

У багатьох моделях автомобілів в корпусі блок-фари знаходиться також лампочка покажчика повороту. Однак не завжди: наприклад, в «Жигулях» старих моделей (ВАЗ-2101, ВАЗ-2102, ВАЗ-21 013) і деяких сучасних іномарках ця лампочка монтується окремо від блок-фари.

Передній габаритний ліхтар, або підфарник (рис. 1.3,а), складається з корпусу, розсіювача, обідка, двухниткової лампи з патроном і струмопідвідного дроту. Двухниткова лампа має нитку, що виробляє світло силою 21 Кд, яка служить для подачі світлового сигналу перед поворотом, і нитку, що виробляє світло силою 6 Кд, - для габаритного освітлення.

Задній габаритний ліхтар (рис. 1.3,б) використовують як задній покажчик повороту. Він складається з корпусу, розсіювача, обідка і двох патронів з лампами. Корпус ліхтаря розділений перегородкою на дві частини. У нижній частині ліхтаря встановлена лампа силою світла 3 Кд. Вона служить для позначення габаритів машини вночі при стоянках та русі, а також для освітлення номерного знака. У верхній частині ліхтаря встановлена лампа силою світу 21 Кд. Вона спалахує при натисканні на педаль гальма і служить для попередження водіїв що їдуть позаду про гальмування (світло «Стоп»), а також використовується для вказівки напряму повороту машини. Ліхтарі мають розсіювач рубінового кольору, який одночасно служить відбивачем світла.

Рисунок 1.3 - Підфарник і задній ліхтар: а - передній габаритний ліхтар; б - задній габаритний ліхтар

Задні ліхтарі в сучасних машинах, як правило, розміщуються в один корпус. Задній ліхтар включає в себе:

- лампи стоп-сигналів (включаються автоматично при натисканні водієм педалі гальма і вимикаються при відпущеної педалі);

- лампи заднього ходу (загоряються автоматично при включенні водієм задньої передачі і гаснуть при її виключенні);

- покажчики поворотів;

- габаритні вогні;

- денні ходові вогні (на вітчизняних автомобілях майже не встановлюються).

Водій вмикає і вимикає покажчики поворотів спеціальним перемикачем, який, як правило, розташований на рульовій колонці. Порядок застосування покажчиків повороту (тобто в яких випадках водій повинен їх включати і вимикати) регламентується діючими правилами дорожнього руху.

Одночасно всі покажчики поворотів використовуються при включенні аварійної сигналізації (для цього призначена відповідна кнопка). У цьому випадку вони починають моргати, що говорить іншим учасникам дорожнього руху про наявність проблем у автомобіля.

Порядок застосування аварійної світлової сигналізації визначено правилами дорожнього руху. Зазначимо лише, що включати її можна при виникненні труднощів, пов'язаних не тільки з автомобілем, але і з самим водієм: осліплення фарами зустрічного автомобіля, сонячними відблисками, раптове погіршення самопочуття і т.д. У подібних ситуаціях слід негайно увімкнути аварійну світлову сигналізацію і відразу зупинити автомобіль, по можливості притулившись до правого узбіччя проїжджої частини.

Звуковий сигнал призначений для оповіщення інших учасників дорожнього руху про небезпеку. Він приводиться в дію натисканням кнопки або клавіші, розташованої, як правило, на рульовому колесі. Порядок застосування звукового сигналу також регламентується правилами дорожнього руху. У населених пунктах використання звукового сигналу заборонено, за винятком екстрених випадків (запобігання ДТП і т.п.).

Для освітлення контрольно-вимірювальних приладів у нічний час на щитку встановлені лампи невеликої світлосили. Кузов легкового автомобіля висвітлюють плафони, що складаються з корпусу, патрона з лампою, обідка і матового скла. Двигун при ремонті або огляді в нічний час висвітлює підкапотна лампа. Переносна лампа складається з корпусу з рефлектором, патрона, лампи, шнура і вилки.

Світловий покажчик поворотів складається з перемикача і переривника (реле). Найбільше застосування на автомобілях мають електромагнітотеплові переривники струму. Переривник складається з осердя з обмоткою, панелі, двох якірців, чотирьох срібних контактів, ніхромової струни, бронзової пластинки і резистора. Вмикач стоп-сигналу складається з корпусу, діафрагми, кришки з контактами, штока, контактної пластини і пружини.

Запобіжники призначені для захисту проводів, ламп, приладів та акумуляторної батареї від пошкодження при короткому замиканні. На автомобілях застосовують термобіметалічні запобіжники багаторазової і одноразової дії.

Термобіметалічний запобіжник багаторазової дії складається з корпусу і біметалічної пластини з контактом на кінці. Контакт біметалічної пластини притискається до нерухомого контакту, укріпленого на корпусі, замикаючи цим ланцюг. Якщо по біметалічній пластині пройде струм більше розрахункового, вона нагрівається і, згинаючись, розімкне контакти. Остиваючи, пластина випрямиться і знову замкне ланцюг, що супроводжується характерним поклацуванням. Поки коротке замикання не усунуто, запобіжник буде періодично розмикати і замикати ланцюг. Крім описаної конструкції, застосовують біметалічний запобіжник одноразової дії кнопкового типу. При перевантаженнях ланцюга кнопковий біметалевий запобіжник розмикає ланцюг. Для включення ланцюга необхідно натиснути на кнопку.

Денні ходові вогні - лампи транспортного засобу, спрямовані вперед. Використовуються для підвищення його видимості при русі в денний час.

Положення про денні ходові вогні по всьому світу різні. Основними сучасними типами ходових вогнів є:

- фари ближнього світла, які включаються коли автомобіль заведений;

- фари дальнього світла при зниженій напрузі (для зниження інтенсивності світла);

- окремі передні випромінювачі з певними схемою розподілу пучка та інтенсивністю світла;

- постійна робота передніх сигналів повороту.

У порівнянні з іншими способами отримання денного ходового світла, окремі ходові вогні більш безпечні і мають меншу витрату енергії, менші відблиски, маскування автомобіля, також відсутні інші потенційні недоліки.

З лютого 2011 року всі нові автомобілі, що випускаються в Європі, повинні оснащуватися так званими ходовими вогнями денного світла. У правилах дорожнього руху в Україні вони поки не прописані, однак, швидше за все, такий необхідний для безпеки дорожнього руху елемент стане затребуваним і у нас.

1.3 Характеристики елементів системи освітлення сучасних автомобілів з використанням світлодіодів

У світлотехніці автомобіля за останні 15 років відбулося кілька революцій. По-перше, створені газорозрядні лампи та розпочато їх масове використання у фарах головного світла (загальнопоширена назва «ксенон») замість ламп розжарювання. При включенні газорозрядні лампи випромінюють яскраве біле або блакитне світло. Світловий потік формує не розпечена вольфрамова нитка, а дуговий розряд в колбі, яка заповнена газом ксеноном (від якого і пішла назва фар). Ксенонові лампи мають масу переваг: вони довговічні, не бояться вібрацій, а випромінювана ними енергія світла в кілька разів вище, ніж у ламп розжарювання. Мало того, їх спектр краще сприймається людським оком, вони забезпечують більш якісне освітлення і зменшують стомлюваність водія під час нічних поїздок і підвищують безпеку на дорозі.

Інший прорив в автомобілебудуванні зробили розробники світлодіодних технологій, створивши ці джерела світла для застосування не тільки в самих різних ліхтарях автомобіля, але і в фарах. Автовиробники віддали їм перевагу за ряд покращених характеристик: високу швидкість спрацьовування, малі габаритні розміри, менше енергоспоживання і великий термін служби. Світлодіоди можна об'єднувати в групи і включати їх в необхідних комбінаціях, що дає можливість реалізувати найхимерніші фантазії дизайнерів щодо форми приладів освітлення, а також отримати фари з миттєвим зміною потужності світлового пучка в широких межах за рахунок включення їх потрібної кількості. Вже зараз світлодіоди за потужністю світлового потоку порівнянні з ксеноновими лампами і значно перевершують галогенові джерела світла. Велику роль у підвищенні безпеки при нічних поїздках зіграв винахід адаптивних (поворотних) фар головного освітлення. Вони змінюють напрямок світлового потоку для поліпшення видимості на криволінійних траєкторіях руху, а також здатні підсвічувати узбіччя при маневруванні в місті.

Цей тип фар не можна назвати абсолютною новинкою: вони існували ще в 70-х роках минулого століття на Citroеn DS-21 (1967...1975 рр.) та SM (1970...1975 рр..). Сучасні системи стали електронними, і тепер вони враховують не тільки кут повороту рульового колеса, а й вносять поправку на швидкість руху автомобіля. Наприклад, в системі AFL (Adaptive Forward Lighting - технологія керованого переднього освітлення) компанії Opel електронний блок на підставі показань датчиків повороту рульового колеса і швидкості руху управляє одним з модулів ксеноновим оптики (лівим або правим). Регулювання напряму світлового потоку здійснюється тільки при включеному дальньому світлі. При маневруванні на малих швидкостях (до 50 км/год), як тільки водій включає покажчик повороту, загоряється лампа бічного підсвічування, яка висвітлює ділянку збоку від дороги на відстані близько 30 м. Далеке і ближнє світло формуються в одному оптичному елементі за допомогою рухомої шторки, котра змінює конфігурацію світлового потоку. Все це покращує видимість дороги в повороті, дозволяючи завчасно розглянути можливі перешкоди, які раніше перебували в неосвітленій зоні [1].

Якщо раніше світлодіоди використовувалися тільки в задніх ліхтарях і в денному світлі передніх фар, то сьогодні застосовують їх також в ближньому і дальньому світлі. Однак це нове покоління «яскравих» світлодіодів вимагає використання спеціальних блоків управління. Інженери Continental створили такий керуючий модуль, який забезпечує гнучкість управління фарами і дозволяє мати безліч режимів їх роботи, адаптуючи промінь світла під різні умови руху - по сільській дорозі, в поворотах, на перехрестях. Причому на зміну режиму йдуть частки секунди. Для ефективної роботи електронного блоку управління (ЕБУ) світлодіодних фар використовується інформація від інших електронних систем на борту автомобіля. Наприклад, при надходженні інформації від датчиків дощу змінюється кут світлового пучка, а датчики світла допомагають змінювати яскравість світлодіодів. Новий ЕБУ цікавий ще й тим, що має невеликі розміри, до того ж він не інтегрований в блок-фару, а кріпиться до її зовнішньої стінки. Тому при пошкодженні фари блок не потрібно буде міняти, потрібно тільки переставити його на нову фару. Це помітно здешевлює вартість ремонту в разі дорожньо-транспортної пригоди [2].

Хетчбеки Volkswagen Golf, що продаються на європейському ринку, пропонуються з новими фарами головного світла, оснащеними світлодіодними секціями. Кожна блок-фара має біксенонові «пушки» і 15 світлодіодів денного світла. В даний час аналогічну оптику вже має більшість моделей в гамі концерну Volkswagen, включаючи купе-кабріолет Eos, позашляховик Touareg, автомобілі сімейства Passat, а також компактвен Touran. Нова оптика для Volkswagen Golf доступна як опція [3].

Компанія Audi випустила велике купе класу Grand Tourismo під назвою Nuvolari quattro. У вигляді Nuvolari quattro дизайнери компанії Audi втілили ідею двухдверного купе 2 +2 з класичними пропорціями машини класу GT. Використання світлодіодних технологій Light-emitting diod (LED) забезпечує збільшення інтенсивності світлового потоку фар і на порядок прискорює включення стоп-сигналів. У Nuvolari quattro в конструкції задніх ліхтарів і головної оптики застосували LED-технологію. Для освітлення салону і приладової панелі також використовуються світлодіоди [4].

Виробники з конструкції світлооптики Opel Antara GTC повністю виключили лампи розжарювання. Їм на зміну прийшла передова світлодіодна технологія компанії Osram Opto Semiconductors, яку використовували не тільки в задніх ліхтарях, всіх елементах освітлення і підсвічування салону, а й у фарах головного світла.

У Opel Antara GTC дизайн і конструкція передньої і задньої оптики дуже схожі. У передній найбільше помітна світлодіодна «зіниця» у вигляді бджолиних сот. Цей елемент включає в себе 19 високопотужних світлодіодів Golden Dragon, 12 з яких формують пучок далекого, а 7 - ближнього світла. Функцію покажчика поворотів виконують чотири встановлених в один ряд діода. У габаритних вогнях використовуються два діода, але світло в фару вони передають по світловодах.

У задній оптиці «зіницю» також сформували 19 діодів Golden Dragon, 7 з яких випромінюють жовте світло, тобто є покажчиком поворотів, а 12 - білий, висвітлюючи простір за автомобілем при включенні задньої передачі. Габаритне «підсвічування» і стоп-сигнали забезпечують 12 червоних діодів встановлені в три ряди. Дев'ять з цих джерел світла направляють свої промені назад, а три зорієнтовані в поле самого ліхтаря для його підсвічування. Всі червоні діоди працюють в двох режимах: слабке світло - габаритні вогні, яскраве світло - стоп-сигнал.

Для підсвічування салону машини використовуються світлодіоди Оsram іншої категорії - SideLED, MiniTopLED і TopLED. Завдяки їх рівному розсіяному світлу всі прилади й кнопки випромінюють оригінальне, приємне для очей світіння.

Використовувані світлодіоди Golden Dragon споживають струм 500 мА і працюють при напрузі 3,2 ... 3,8 В. Завдяки цьому сумарне споживання електрики в автомобілі помітно знижується. Заощаджені вати використовуються в численних електроприводах [5].

Повністю світлодіодні фари підготували для свого суперкара Audi R8 інженери з Інгольштадта. Нова світлотехніка доступна як опція, а її вартість в Європі складає 3590 євро. За цю суму автомобіль, на додаток до вже встановлених у 24 світлодіодів габаритних вогнів, оснащується світлодіодними покажчиками повороту, ближнім і дальнім світлом. Загальна кількість світлодіодів в новому блоці - 54 (рис. 1.4). Вперше Audi застосувала подібну головну оптику на Nuvolari Quattro ще в 2003 році. Однак для її установки на серійні автомобілі знадобився дозвіл Єврокомісії, який було отримано тільки через п'ять років. Світлодіодна оптика займає в блоках фар менше місця в порівнянні з галогенними або газорозрядними лампами. Термін її служби більше, вона споживає у десять разів менше енергії, а її колірна температура оптимально наближена до денного освітлення, що покращує видимість в темний час доби.

Рисунок 1.4 - Фара автомобіля Audi R8

Кілька років тому на автошоу у Франкфурті було представлено концептуальне купе R-Coupe. Продовженням запропонованої дизайнерами теми став показаний восени того ж року R-D6.

Дизайн передньої частини виконаний в традиційному для машин цієї марки стилі ретро, з використанням четирехфарной комбінації і характерної форми решітки радіатора. У конструкції, як передніх, так і задніх ліхтарів застосовані світлодіоди [6].

Незвичайні дзеркала заднього виду випускає KW Muth Company, що спеціалізується на створенні додаткового обладнання для автомобілів північноамериканського ринку. У них вмонтовані додаткові ліхтарі поворотів, що знаходяться не зовні, як у Mercedes S-класу, а заховані усередині під склом. Джерелом світла цих поворотників є світлодіоди, які у вигляді стрілки встановлені на платі в корпусі дзеркала. На скло нанесено спеціальне напилення, що пропускає випромінюване діодами світло назовні. При роботі такої системи в режимі поворотів на дзеркалі загоряються червоні чи помаранчеві стрілки. При включенні аварійної сигналізації вони блимають в обох дзеркалах.

А нещодавно компанія K.W. Muth модернізувала дану систему. «Задзеркальні» ліхтарі працюють тепер як додаткові стоп-сигнали - на обох дзеркалах світяться немигаючі стрілки. Якщо одночасно з гальмуванням включаються покажчики поворотів, відповідне дзеркало починає «моргати».

Таке нетрадиційне розташування ліхтарів поворотів і повторювачів стоп-сигналів в щільних міських потоках робить поведінку їдучих попереду машин більш передбачуваною. Інформація з виступаючого за габарити машини дзеркала легко зчитується водіями автомобілів, які прямують через один-два ззаду. Особливо це актуально у випадках, коли ліхтарі передніх машин закриває їдучий безпосередньо перед вами фургон або вантажівку. Додаткові поворотники вельми корисні і при обгонах. Перебуваючи в «мертвій зоні» дзеркал заднього виду, миготливе «дзеркало» попереджає водія обганяючого або випереджаючого автомобіля про можливий початок маневру. Це важливо, якщо автомобіль не обладнаний боковим повторювачем поворотів. Дзеркальний стоп-сигнал при різкому гальмуванні їдучої попереду машини дозволяє більш точно контролювати її габарити в нічний час, що необхідно при об'їзді або обгоні. Встановлюватися такі багатофункціональні дзеркала можуть як на легкових автомобілях, так і на вантажівках і мотоциклах [7].

Австрійська компанія ZKW розробила світлодіодну блок-фару AFS (Adaptive Front Light System), яка відрізняється високою міцністю, малою вагою, зниженим енергоспоживанням і практично не потребує обслуговування. Ця фара працює без участі водія, тобто її електронний блок управління сам визначає, коли і яке світло включати, виходячи з погодних і дорожніх умов. Загальновідомі режими роботи адаптивних фар - освітлення криволінійних траєкторій на трасі і поворотів у місті, світло на автомагістралі, міський світло та ін - забезпечують оптимальне освітлення дороги, крім імовірності засліплення водіїв зустрічних автомобілів. На відміну від ламп розжарювання та газорозрядних ламп світлодіоди мають більш низьку яскравість, тому в новому модулі інший механізм розподілу світла. Його особливість - впровадження кількох світлодіодних модулів, які індивідуально реалізовують вищезгадані режими освітлення.

У Audi A6 повністю світлодіодні фари, які не тільки ефектно виглядають, але і значно економічніше звичайних. Але ця функція доступна лише в якості опції для моделі [8].

Audi Q7 дебютував в Україну в 2010 р. Він отримав в порівнянні з попередньою моделлю нові бампери, решітку радіатора, але основні зміни торкнулися оптики. Оновлений Q7 оснащується іншими задніми фарами на світлодіодах, а спереду LED-елементи підключаються тільки в режимі денного світла. Нове покоління оснащено інноваційною системою рекуперації, яка економить паливо і знижує навантаження на генератор [9].

У Audi А8 стиль задньої оптики запозичили у молодших моделей А3 Cabriolet, А4 і А5. В ліхтарі впроваджені 72 світлодіода [10].

Mitsubishi продовжує свою лінію фірмового стилю. Крихітний Colt, середньорозмірний Lancer X і місткий кросовер Outlander XL - дуже схожі. Тепер до них приєднався ще один автомобіль - ASX.

У салоні схожість з попередніми моделями хоча і є, але своїх, індивідуальних рішень все ж багато. Можна відрегулювати не тільки кут нахилу керма, як у більшості моделей Mitsubishi, але і його виліт. При включенні габаритів з боків їх скло підсвічується рядом світлодіодів, що виглядає чудово.

Світлодіодні габаритні вогні LED вперше використовувалися на серійній Honda на автомобілі Honda CR-Z [11].

Jaguar XF виділяється підсвічуванням інтер'єру незвичайного бірюзового кольору. Причому світяться не тільки прилади, а й окантовки блоків з кнопками на центральній консолі і тунелі. А ще розсіяне світло струмує прямо з дверей, висвітлюючи кнопки управління дзеркалами і склопідйомниками. Втім, таке ж рішення зустрічаємо і в салоні Mercedes-Benz E-Klasse. Тільки підсвічування тут більш звичне - жовто-оранжеве; смужка світлодіодів спалахує по всьому периметру салону. Дана опція є додатковою для всіх комплектацій, крім дорого - Jaguar Avangarde. А щиток приладів в Mercedes-Benz горить заспокійливим світлим тоном. Є на ньому чашечка гарячої кави: стандартна для нового E-Klasse система Attention Assist відстежує манеру водіння і при необхідності (на її думку) пропонує перерватися на відпочинок.

1.4 Дослідження та обґрунтування модернізації складових частин системи освітлення легкового автомобіля

Розглянемо можливість модернізації системи освітлення вітчизняних легкових автомобілів за рахунок встановлення в них світлодіодного обладнання. Застосування світлодіодів за останні роки все більше схиляється у бік використання їх в освітленні. Якщо раніше світлодіоди використовувалися в основному для індикації в приладах, то зараз вони вже успішно застосовуються, наприклад, в автомобілях, де успішно пройшло впровадження світлодіодів в габаритні ліхтарі і сигнали гальмування. Прогрес у технології розробки потужних світлодіодів, дозволив світлодіодам потрапити в сферу інтересів світлотехніки, і безсумнівно потужні світлодіоди незабаром витіснять застарілі джерела світла [12 - 14].

Потужні світлодіоди для освітлення, за такими параметрами як світловий потік (Лм), світлова віддача (Лм/Вт), індекс передачі кольору і надійність вже перевершують традиційні джерела світла, що використовуються в освітлювальних приладах. Серед їхніх переваг порівняно з лампами - направлене випромінювання, термін служби при роботі в номінальному режимі не менше 50000 годин. Світлодіоди не містять ртуті, як більшість люмінесцентних і розрядних ламп, що істотно полегшує проблему утилізації. Крім того, час досягнення максимального значення світлового потоку після включення світлодіода становить наносекунди, а максимальна світлова віддача досягається в діапазоні холодного білого кольору [15].

Застосування потужних світлодіодів в системі освітлення автомобіля дозволить знизити всі витрати, пов'язані з обслуговуванням і витратами електроенергії, але висока початкова вартість світлодіодних рішень перевершує майже всі зекономлені суми. Тому варто розглядати основні чинники, істотні переваги світлодіодів. Перш за все економія електроенергії при заміні ламп розжарювання на світлодіоди становить до 80 %, а люмінесцентних ламп - понад 40 %. Випромінювання світлодіодів спрямоване, і немає необхідності використовувати відбивачі, що вже дозволяє уникнути втрат на відбиття, що виникають в лампових приладах. Технологія виробництва світлодіодів розвивається дуже швидко, і за прогнозами скоро світлова віддача білого світлодіода стане найвищою серед усіх штучних джерел світла на планеті[12].

Світлодіодні системи, як і всі системи освітлення, складаються з трьох основних частин: драйвера, джерела світла - світлодіоди, і корпусу. Ефективність драйвера і втрати в корпусі не так істотно впливають на характеристики приладу, як світлова віддача джерела світла. Тому можна припустити, що оптичні характеристики та ефективність системи освітлення на основі світлодіодів в основному визначаються характеристиками світлодіодів [14, 16].

Відсутність обслуговування призводить до зменшення витрат у процесі експлуатації світильника. Потужні світлодіоди, які використовуються для освітлення в автомобілі, не перегорають, як звичайні лампи. Вони продовжують випромінювати світло протягом тривалого часу, з незначним зниженням світлового потоку. Зниження світлового потоку потужних світлодіодів залежить від різних чинників, одним з яких є температура: чим вище температура світлодіода, тим нижче його час життя - проміжок часу, за який світловий потік світлодіода досягне 70 % початкового значення [13, 17 - 19].

На відміну від інших виробів напівпровідникової електроніки, де основний вплив на попит надають об'єктивні характеристики, для світлодіодів це носить більш суб'єктивний характер. Наприклад, термін «якість світла» говорить про цілу серію факторів, включаючи колір, однорідність його розподілу, рівномірність розподілу інтенсивності, якість перенесення кольорів і т.д. Потужні світлодіоди, які використовуються для освітлення, виробляються в широкому діапазоні колірних температур - від 2600 К до 10000 К, мають досить високий індекс передачі кольору, малі розміри і споживають значно менше електроенергії, ніж традиційні джерела світла. Отже, при розробці системи освітлення з використанням світлодіодів можна використовувати всі ці переваги для створення освітлювальних систем різної колірної температури, різних розмірів, споживаної потужності і світлового потоку, що було неможливо при використанні джерел світла попереднього покоління [20].

Достатньо гарним прикладом для подібної модернізації є автомобіль ВАЗ 2115. Це достатньо сучасний автомобіль вітчизняного виробництва але у той же час для зовнішнього та внутрішнього освітлення на ньому встановлено звичайні лампи з ниткою накалювання. Цей автомобіль створений на базі моделі ВАЗ 21099. На ньому встановлена нова передня світлотехніка, форма капота і передніх крил, передній і задній бампери і спойлер-антикрило на кришці багажника, які поліпшили зовнішній вигляд і аеродинаміку кузова. Пластмасові деталі зовнішнього оздоблення захищають панелі кузова від пошкоджень і корозії. Додатковий сигнал гальмування, вбудований в спойлер, і нова задня світлотехніка автомобіля ВАЗ 2115 підвищують безпеку при русі. Змінена форма кришки багажника і задній панелі ВАЗ 2115 дозволили зменшити вантажну висоту. ВАЗ 2115 - чотирьохдверний п'ятимісний легковий автомобіль з кузовом "седан". Кузов автомобіля - несучої конструкції, суцільнометалевий, зварний. Автомобіль з переднім поперечним розташуванням двигуна, п'ятиступінчастою коробкою передач і приводом на передні колеса. ВАЗ 2115 укомплектований чотирьох-циліндровим, рядним, чотиритактним, бензиновим двигуном робочим об'ємом 1,5 л, з системою розподіленого уприскування палива і електронним управлінням.

2. РОЗРОБКА ТЕХНІЧНИХ ПРОПОЗИЦІЙ ЩОДО МОДЕРНІЗАЦІЇ СИСТЕМИ ОСВІТЛЕННЯ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ

2.1 Освітлення салону

Для створення високоефективного освітлення салону використаємо мікросхему HV9910. HV9910 є високоефективним ШІМ-контроллером для світлодіодів. Він забезпечує ефективну роботу з високою яскравістю світлодіодів від джерела напруги (від 8 В до 450 В). Мікросхема дозволяє дуже просто реалізувати стабільне джерело струму для живлення світлодіодів. Внутрішня структура HV9910 представлена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурна схема мікросхеми

Позначення і призначення виводів мікросхеми зведено в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Призначення виводів мікросхеми

Вивід	Опис
VIN	Вхідна напруга 8В до 450В постійного струму
CS	Встановлення максимального струму світлодіодної лінійки
GND	Загальний
GATE	Зовнішній силовий ключ
PWM_D	Низькочастотний ШИМ для зменшення яскравості світлодіодів, а також вимкнення виходу. Внутрішні 100 кОм підключені до загального проводу
VDD	Вихід напруги внутрішнього джерела живлення. Номінально 7,5 В. Може живити зовнішню схему струмом до 1 мА
LD	Лінійна зміна яскравості світлодіодів
Rosc	Вхід підстроювання внутрішнього генератора. Резистор, підключений між цим виводом і землею, встановлює робочу частоту мікросхеми

Мікросхема дуже зручна наявністю власного вбудованого регулятора напруги, який дозволяє живити її без застосування додаткової обмотки (від дроселя або трансформатора). Вона має вивід для програмування частоти перемикання і вивід для реалізації функції діммінга (регулювання яскравості).

HV9910, головним чином, призначена для низькобюджетних світильників, де не потрібна висока стабільність вихідного струму, і використовується в приладах, де час життя світильника не так важливий [21].

HV9910 управляє зовнішнім польовим транзистором з фіксованою частотою перемикання до 300 кГц. Частота встановлюється за допомогою одного резистора. Світлодіоди працюють при постійному струмі, а не постійній напрузі, що забезпечує постійний світловий потік і підвищує надійність. Вихідний струм може бути запрограмований від кількох міліампер до більше ніж 1 А. HV9910 може витримати вхідну напругу до 450 В. Вихідний струм на світлодіоди програмується на будь-яке значення між нулем і його максимальним значенням, встановлюючи зовнішню керуючу напругу на одному з входів HV9910. HV9910 забезпечує низькочастотний ШИМ за допомогою входу PWM_D, який може приймати зовнішній сигнал управління зі скважністю 0...100 % і частотою до декількох кілогерц. Також HV9910 може контролювати яскравість світлодіодів шляхом програмування безперервного вихідного струму драйвера світлодіодів (так званий лінійний диммер), коли контролюється напруга на вході LD.

HV9910 пропонується виробником у стандартних 8-вивідних корпусах SOIC (представлений на рис. 2.2) і DIP. Вона також доступна в корпусі SO-16 якщо вхідна напруга перевищує 250В. Мікросхема містить у собі внутрішній високовольтний лінійний стабілізатор, який можна використовувати для завдання зміщення живлення для низьковольтних зовнішніх схем.

Рисунок 2.2 - Позначення виводів в корпусі SOIC мікросхеми HV9910

Коли сигнал на затворі польового транзистора посилюється, драйвер запасає енергію в індукторі або в первинній індуктивності трансформатора і, залежно від типу перетворювача, може частково передавати енергію безпосередньо на світлодіоди. Енергія, запасена в магнітному полі індуктивності, використовується для живлення світлодіодів, коли польовий транзистор замкнений. Для запуску HV9910 необхідний струм від 1 мА. У багатьох додатках HV9910 може безперервно працювати використовуючи свій внутрішній лінійний стабілізатор, який забезпечує регульовану напругу 7,5 В для всіх внутрішніх схем.

Зміна яскравості світлодіода може бути виконана двома способами. Світловим потоком світлодіодів можна управляти або лінійною зміною струму через них, або шляхом виключення струму, тоді як його значення зберігається постійним. Другий метод диммірування (так зване ШІМ диммірування) управляє яскравістю світлодіодів шляхом зміни скважності вихідного струму. Лінійне диммірування може бути реалізовано шляхом зміни керуючої напруги 0…250 мВ на виводі LD. Цей регулятор напруги перекриває внутрішню напругу 250 мВ порогового рівня на виводі CS та програмного вихідного струму відповідно. ШИМ диммірування може бути реалізовано за допомогою зовнішнього сигналу ШІМ на вході PWM_D. ШІМ-сигнал може створюватися мікроконтроллером або імпульсним генератором зі скважністю пропорційно кількості бажаної світловіддачі. Цей сигнал включає і вимикає перетворювач, модулюючий струм світлодіода. У цьому режимі індикатор струму може бути в одному з двох станів: нуль чи номінальний струм, встановлений токозадаючим резистором. За допомогою методу ШІМ-контролю світловий потік можна регулювати в межах від нуля до 100 %. Унікальний дизайн HV9910 дозволяє використовувати її як при постійній частоті, так і при постійному часі вимикання в залежності від того, куди підключений резистор на виводі Rosc. Для нормальної роботи мікросхеми з постійною частотою, резистор на Rosc повинен бути підключений до загального проводу (рис. 2.3,а). Для роботи мікросхеми з постійним часом вимикання перетворювача, резистор підключається між Rosc і GATE (рис. 2.3,б).

а	б

Рисунок 2.3 - Способи підключення резистора до виводу Rosc: а - підключення резистора до загального проводу; б - резистор підключається між Rosc і GATE

Частота перемикання мікросхеми визначає розмір індуктора і розмір або тип вхідного конденсаторного фільтра. Збільшення частоти перемикання призведе до зменшення індуктивності, але буде збільшувати втрати при перемиканні в світлодіодній лінійці. Чим вище вхідна напруга, тим нижчою повинна бути частота, щоб уникнути великих ємнісних втрат в конвертері. Робоча частота внутрішнього генератора програмується між 25 та 300 кГц за допомогою зовнішнього резистора, підключеного до виводу ROSC. Для забезпечення частоти близько 60кГц, виберемо резистор ROSC = 280кОм, тоді частота точно складе (в формулу значення підставляється в кОм, а результат виходить в кГц)

Номінал котушки індуктивності, може бути обчислений за величиною бажаних пікових пульсацій струму в котушці. Як правило, такі пульсації струму вибираються рівними 30 % від номінального струму світлодіода. Наступним кроком є визначення загального падіння напруги на світлодіодній лінійці. Будемо використовувати світлодіод високої яскравості XP-G фірми Cree з прямим падінням напруги 3В при номінальному струмі ILED=800 мА. Знаючи номінальну вхідну напругу, визначимо скважність включення силового ключа

Потім, враховуючи частоту комутації FOSC, знаходимо час включеного стану польового транзистора



Необхідна величина індуктивності визначається за формулою

Пікова напруга польового транзистора має бути у півтора рази більше вхідної. Пікова напруга діода повинна бути такою же, як і у польового транзистора. Значення резистора в істоці польового транзистора визначається за формулою , якщо використовується внутрішня порогова напруга. В іншому випадку, 0,25 необхідно замінити на напругу на вході LD.

Створена схема управління світлодіодами на основі HV9910 представлена на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 - Схема управління світлодіодами на основі HV9910

У схемі використовується польовий транзистор NDF03N60Z у якого Uсі = 600 В, Ісі = 5 А. Діод Шоттки BAT54 має максимальну зворотню напругу 30 В і струм до 2 А.

Розробка печатної платі виконувалась в пакеті Altium Designer. Це комплексна система автоматизованого проектування (САПР) радіоелектронних засобів розроблена австралійською компанією Altium. Даний пакет дозволяє реалізовувати проекти електронних засобів на рівні схеми з наступною передачею інформації в друковану плату. Відмінною особливістю програми є проектна структура і наскрізна цілісність ведення розробки на різних рівнях проектування. Таким чином, зміни в розробці на рівні плати можуть миттєво бути передані на рівень схеми і так само назад. Пріоритетним напрямом розробників даної програми є інтеграція з ECAD і MCAD системами. Тепер розробка друкованої плати можлива в тривимірному вигляді з двобічної передачею інформації в механічні САПР.

Вид розробленої печатної плати представлений на рис. 2.5,а, а її 3D модель - на рис. 2.5,б.

б

а

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.5 - Розроблений драйвер на основі HV9910: а - печатна плата; б - 3D модель печатної плати

2.2 Освітлення панелі приладів

Розробимо схему для освітлення приладів на панелі перед водієм за допомогою мікросхеми NUD4001. Це лінійний драйвер компанії ON Semiconductor котрий призначений для заміни рішень, виконаних на дискретних компонентах. Мікросхема NUD4001 використовується для низьковольтних напруг живлення до 30 В при вихідному струмі до 500 мА. Типова схема включення світлодіодного драйвера NUD4001 наведена на рис. 2.6. По суті, NUD4001 - це керований генератор (стабілізатор) струму, вихідний струм якого задається зовнішнім резистором. Стабілізація струму забезпечується у всьому діапазоні робочих температур (40...125°С) і в усьому діапазоні допустимих вхідних напруг. Основне призначення драйвера NUD4001 - генератор струму для автомобільних світлодіодних ламп (габаритні вогні, покажчики поворотів, стоп-сигнали, освітлення салону). Вхідні ланцюги живлення мікросхеми NUD4001 витримують кидки напруги до 60 В. Мікросхема світлодіодного драйвера NUD4001 може також використовуватися як джерело струму в недорогих зарядних пристроях для мобільних телефонів [22].

Рисунок 2.6 - Схема включення NUD4001 для живлення від 12 В

У світлодіодній лінійці знаходиться 5 послідовно включених світлодіодів типу RL50-RD3YG139F1 компанії Exceed perseverance electronic industry. Кількість таких лінійок включених паралельно буде обмежуватись лише вихідним струмом мікросхеми. Розрахунок параметрів схеми на рис. 2.6 відрізняється простотою і складається з ряду кроків, представлених нижче.

Виберемо струм через світлодіод Iсвітлод = Iвих, виходячи з документації виробника. Для обраного світлодіода номінальний прямий струм становить 20мА.

Розрахуємо резистор Rзовн (вибрана температура переходу TJ = 25°С, як найбільш ймовірна)

Значення Usense визначається з графіка на рис. 2.7. Ця залежність і всі інші взяті з документації виробника/

Рисунок 2.7 - Залежність напруги Usense від температури переходу

Виберемо напругу живлення (вона ж є і Uвх). Для бортової мережі автомобіля виберемо напруга 13,8 В.

Визначимо падіння напруги на п'яти світлодіодах на основі параметрів, взятих з документації виробника. Падіння напруги на одному світлодіоді становить 2,1 В при струмі 20 мА. Тоді падіння на п'яти світлодіодах становитиме 5·2,1=10,5 В.

Розрахуємо падіння напруги Udrop на вихідному ключі драйвера NUD4001

Розрахуємо розсіювану потужність на мікросхемі драйвера NUD4001

Розрахуємо потужність управління Руправл, споживану самою мікросхемою при відсутності навантаження. Цей параметр визначається за допомогою графіка на рис. 2.8. Для напруги живлення 13,8 В власна потужність споживання становить 0,055 Вт

Рисунок 2.8 - Залежність потужності споживання NUD4001 від напруги живлення при відсутності навантаження

Розрахуємо повну потужність Рповн, розсіювану на мікросхемі

Порівняємо розраховану повну потужність з максимально допустимою, наведеної на рис. 2.9. Отримана в результаті розрахунку потужність 0,107 Вт (при 25°С) не перевищує максимально допустиму. Якщо при певній температурі навколишнього середовища розрахована розсіювана потужність перевищує допустиму, то необхідно зменшувати вихідний струм драйвера або включати мікросхеми паралельно. У деяких випадках зміна кількості послідовно включених світлодіодів дозволяє досягти меншого падіння напруги Udrop на мікросхемі NUD4001. Зміна напруги живлення також дозволяє знизити падіння напруги на вихідному ключі світлодіодного драйвера NUD4001, зменшивши при цьому розсіювану потужність на мікросхемі.

Рисунок 2.9 - Залежність допустимої повної потужності, що розсіюється NUD4001 від температури

Ефективне регулювання яскравості світлодіодів можна здійснити за допомогою ШІМ-регулювання, комутуючи підключення виводу GND мікросхеми драйвера до загального проводу. Орієнтовна схема з імпульсним регулюванням інтенсивності світіння світлодіодів наведена на рис. 2.10.



Рисунок 2.10 - Управління драйвером NUD4001 за допомогою ШІМ для регулювання яскравості світлодіодів

Гарним способом збільшення вихідного струму є паралельне включення драйверів NUD4001. Цей спосіб дозволяє знизити розсіювану потужність на кожній мікросхемі, що особливо актуально в автомобілях, де схема драйвера працює при підвищених температурах. Орієнтовна схема паралельного включення для живлення світлодіода струмом більше ніж 500 мА наведена на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 - Паралельне включення NUD4001 для отримання вихідного струму більше ніж 0,5 А

Розроблена схема представлена на рис. 2.12.

Рисунок 2.12 - Схема освітлення дошки приладів на основі NUD4001

Вид розробленої печатної плати представлений на рис. 2.13,а, а її 3D модель - на рис. 2.13,б.

б

а

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.13 - Розроблений драйвер на основі NUD4001: а - печатна плата; б - 3D модель печатної плати

2.3 Генератори ШІМ-сигналу

Генератор ШІМ-сигналу можна виконати декількома способами. Розглянемо їх детально далі. Перший спосіб - виконання генератора на таймері. Аналоговий таймер NE555 являє собою своєрідний генератор, де можна комбінацією резисторів і конденсатором задавати частоту, а також тривалість імпульсу і паузи. Схема ШІМ-генератора на основі цієї мікросхеми представлена на рис. 2.14.

Рисунок 2.14 - Генератор ШІМ-сигналу на основі NE555

Таймер стежить за напругою на конденсаторі С1, яка подається на вивід THR (THRESHOLD - поріг). Як тільки вона досягне максимуму (конденсатор заряджений), відкривається внутрішній транзистор. Він, у свою чергу, замикає вивід DIS (DISCHARGE - розряд) на загальний провід. При цьому на виході OUT з'являється логічний нуль. Конденсатор починає розряджатися через DIS і коли напруга на ньому стане дорівнювати нулю (повний розряд) система переходить в протилежний стан - на виході логічна «1», транзистор закритий. Конденсатор починає знову заряджатися і все повторюється знову. Заряд конденсатора С1 йде шляхом R4 - R1 - D2, а розряд по шляху D1 - R1 - DIS. Коли змінюється опір змінного резистора R1, то змінюються співвідношення опорів верхнього та нижнього плеча. Що, відповідно, змінює відношення довжини імпульсу до паузи. Частота задається в основному конденсатором С1 і ще трохи залежить від величини опору R1. Резистор R3 забезпечує підтяжку виходу до високого рівня оскільки мікросхема містить вихідний ключ з відкритим колектором [23].

Треба звернути увагу на те, що вихід DIS (DISCHARGE) через внутрішній ключ таймера підключений до загального проводу, тому не можна його садити безпосередньо до потенціометра, оскільки при закручуванні регулятора в крайнє положення цей вивід опиниться безпосередньо на Vcc. А коли транзистор відкриється, то відбудеться коротке замикання, і таймер вийде з ладу. Щоб цього не сталося додаємо ще один резистор на один кОм. На регулювання він не сильно вплине, а від перегорання захистить.

Генератор ШІМ-сигналу на операційних підсилювачах. Основною деталлю, на якій заснована вся схема, є мікросхема, що представляє з себе чотири операційних підсилювача в одному корпусі - LM324. Вона має велику кількість аналогів: LM124N, LM224N, 1401УД2А.