Питание чувствительной электроники от бортовой сети легкового автомобиля

Часто начинающие электронщики-любители мастерят примочки для автомобилей, не задумываясь о правильном ее подключении к бортовой сети. Дело в том, что электричество в авто генерируется генератором переменного тока, работающего в переменных условиях (меняется нагрузка на генератор и частота вращения его ротора в зависимости от оборотов двигателя), и потребляется массой электромоторов, катушек и кучей других потребителей. В результате условные 12В, к которым мы привыкли, превращаются в кашу электрических сигналов, часть которых на очень короткие промежутки времени может доходить до сотен и даже тысяч (на грузовиках) вольт. Подобные скачки напряжения происходят, например, когда двигатель постоянного тока, подключенный к тому же выключателю, что и система зажигания, после выключения зажигания, в силу механической инерции, продолжает работать как генератор. (Подумайте, что делает с бортовым напряжением стартер, пожирающий сотни ампер во время работы.) Длительность скачков напряжения, разумеется, невелика, но вполне достаточна, чтобы спалить следующую, традиционную, схему питания электроники, а следом и саму электронику:

01

На схеме выше представлен широко известный интегральный регулятор напряжения 7805. Согласно даташиту, он может переварить входное напряжение до 35 вольт. На нижеследующей картинке представлена выдержка из ГОСТ 28751-90, регламентирующего параметры испытательных импульсов, которые должна выдерживать бортовая электроника:

clip_image002[4]

(Полный текст ГОСТa 28751-90)

Разумеется, никакой 7805 не выдержит подобных издевательств. А даже если и чудом выдержит, то ваше устройство будет работать неустойчиво. Поэтому питающая схема для вашей электроники должна быть дополнена несколькими важными элементами. И первый их них – трансил (от англ. transient voltage suppression (TVS) diode, продающегося под названием Transil). Трансил это что-то вроде стабилитрона, но способного стравливать через себя значительное напряжение. Вдобавок ко всему, трансил крайне быстродействующий элемент — время срабатывания составляет несколько пикосекунд. Для питания от 12В сети стоит ставить трансил на 18 вольт, например P6KE18.

Для того чтобы сгладить пульсации напряжения, применим стандартную цепочку LC. Результат:

02

Дроссель в фильтре можно взять любой малогабаритный, номиналом примерно 50 мкГн – главное, чтобы ток, на который он рассчитан, с запасом покрывал ток потребления питаемого девайса.

Такая схема надежно защитит вашу электронику от скачков напряжения.

К сожалению, на этом беды не заканчиваются. Часто нужно реализовать взаимодействие схемы с водителем, например кнопками. Если кнопка находится прямо на схеме или очень близко к ней – все просто. Но если схема установлена, например, в багажнике, а кнопка в салоне, то длинный провод, идущий до кнопки и обратно, соберет по дороге массу сильных наводок. Например, если ваше устройство основано на микроконтроллере, то обычное подключение кнопки принесет вам массу неудобств – чувствительный микроконтроллер будет реагировать на каждую наводку, а со временем сгорит вовсе.

Классическое подключение кнопки к микроконтроллеру выглядит следующим образом:

03

Для решения проблемы высоковольтных наводок, дополним схему. Создадим «опорное» напряжение подтяжки для ног микропроцессора. Туда же, через трансил на 6.8 вольт P6K6.8 будут «сливаться» высоковольтные помехи (эта часть выделены красным на схеме). Это опорное напряжение подается на вход микропроцессора, защищённого стабилитроном и варистором (например, 05K201).

Варистор, это полупроводниковый элемент, сопротивление которого значительно падает при увеличении напряжения на нем (причем неважно положительного или отрицательного). При возникновении высоковольтного импульса, сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим.

Для примера, на схеме я изобразил подключение двух кнопок.

04

Подобное подключение обеспечит надежную защиту микропроцессора и других чувствительных электронных компонентов, и позволят им безотказно работать в вашем авто.

Удачи!



У этой записи 27 комментариев

  1. а если питается от 3.3 В и на выходе отдает сигнал по UART в дорогое устройство? нужно защищаться от помех?
    и еще, как вместо кнопки подцеплять датчик холла? (длина провода — метра три). кстати, может, подскажете, какие провода для таких целей и где покупать? (три провода, экран? к чему подключается экран в таком случае? нужно ли объединять земли?)

  2. Экранированная витая пара. Продается везде. Землю да, объединять.

  3. стабилизатор на 3 вольта — это вместо LM7805? подключать через оптопары — это чтобы исключить наводки издалека, или как? ведь оптопару запитываем от того же микроконтроллера? и их скорости вообще хватит на такое?

    экранированная витая пара — думал. но во-первых как оно относится к морозу и автомобильным условиям? (перепады температур, влага — думал, существуют специально для автомобилей может быть?) и второе, плохо себе представляю как зачищать и припаивать эту самую витую пару.

  4. и сам датчик холла — его тоже через диод? диоды возле микроконтроллера, на удалении — один датчик?

  5. Да, стабилизатор на 3.3 вольта — бывают и такие. Например LD1117V33. Их миллион.
    Оптопара исключает вообще гальванический контакт. И питания она не требует. Скорости хватит, покуда хватит скорости света.

    Я не спец по кабелям. Не думаю что вам нужны особые провода. И если вы не умеете паять — о каких вообще датчиках, оптопарах и микроконтроллерах идет речь? Вы поймите, я не пытаюсь обидеть, но может стоит начать с более простых вещей, разобраться малость, набить руку?

    Насчет датчиков холла — их есть миллион типов. Каждый подключается по разному.

  6. ну-ка поподробнее, как это оптопара не требует питания?
    про пайку — когда обжимал витую пару, стало более-менее понятно почему ее не паяют. ну, может мне в руки попалась такая — не зачищается, рвется и все такое. ну или руки из жопы :-D
    я, конечно, еще попробую. но все равно что-то я сомневаюсь что автопроизводители используют у себя обычную витую пару для подключения датчиков.
    сейчас цифровой датчик холла стоит на мопеде и нормально работает на двухметровом куске провода (плюс, минус к батарее, сигнал — напрямую к микроконтроллеру ), питается от обычной кроны. но мопед не автомобиль, и питаться хочется не от кроны, а от бортовой сети.

  7. Оптопара питается сигналом.
    Про витую пару — нормальный аппарат для снятия изоляции решит ваши проблемы.
    Я полагаю вам покатит любой экранированный провод. Витая пара не обязательно является сетевым проводом.

  8. тэкс. у оптопар с одной стороны светодиод, а с другой стороны что?
    тема по-прежнему весьма актуальна. можно я понаглею: не могли бы вы накидать схемку, как ее включать? использовать +3В от внешнего устройства, чей порт мы и собираемся защищать? и какую брать (у меня траблы с поиском конкретных наименовний деталей)?

    посмотрел даташит на стабилизатор — кажется, какое-то недопонимание.

    сейчас я нахожусь на стадии разведения платы. хотелось бы получить работающий продукт с первого раза.
    теперь в моем устройстве к микроконтроллеру подключается два датчика холла (которых тоже питать надо, помимо съема сигнала) и три входа АЦП (думаю, как лучше сделать конструктивно — заводить по одному на разъем, или в одном разъеме все три? какие разъемы в таких случаях применяются? тянуть ли одновременно с сигналом еще и землю? (ведь она же используется и при питании самого устройства?)
    ну и выход по уарту (3,3В) на внешнее устройство через полутораметровый кусок экранированного провода — в нем могут возникнуть помехи, несовместимые с жизнью внешнего устройства?

  9. тут на вход слева сверху приходит кривой сигнал +12 вольт. делитель напряжения делит, получаем 5 вольт. на всякий случай стабилитрон, чтоб не пожечь оптопару.
    На пятой ноге оптопары получаем выходной сигнал. Но инвертированный. Инвертируем его назад, с помощью 74НС14. Все.

    по поводу проводов — не истерите. все будет хорошо — аккуратная пайка, экранирование, общие земли решат проблемы.
    используйте те провода, что есть в наличии. витая пара — гуд. витая пара которая cat7 — еще лучше.

  10. По-моему, если нажать кнопку SW2 по схеме, то и кнопке и диоду D1 придется не сладко.
    Перерисуйте, пожалуйста, схему.

  11. :
    вы правы, на схеме не хватает резистора.
    спасибо, я поправлю.

  12. Пойдет?
    Только она не подходит по току, хотел поставить две-три штуки параллельно. По идее все должно быть как при параллельном соединение резисторов — общее сопротивление уменьшается, максимальный ток увеличивается. Я прав? Может есть какие-то подводные камни??

  13. Т.е. да, проканает. Лучше, чем ничего.

  14. ), например, ничего такого не написано…
    И, простите, где на схеме само питаемое на 12V устройство?

  15. :
    Конденсаторы = фильтры.
    Я не знаю чего и где написано.
    На схеме устройства на 5 вольт не нарисовано. Зато есть выход OUTPUT_5V.

  16. За разъяснение спасибо, но зачем столько (перед регулятором напряжения же есть два — он что, помехи даёт)?
    Я к тому, что если для питаемого устройства регулятор напряжения не требуется (в даташите трансмиттера: 9-24V), можно будет парой кондеров (например, электролит 100мкф и керамика, допустим 0,1мкф) обойтись?

  17. :
    А если само устройсво срет в линию? Потому и после регулятора.

    Для устройства на 12 я бы поставил диод и саппрессор, а следом конденсаторы и дроссель.

  18. Она выдерживает критику?

  19. :
    Я рисовал схему в статье для общего случая, не только для маломощных устройств.
    Ваша схема — катит.

  20. Спасибо, было важно получить заключение компетентного человека!

  21. В документации схема в целом похожа на первую в статье (добавлен шоттки на выход).
    Я правильно понимаю, что стоит по аналогии приделать LC контур на вход, и других нюансов не будет?
    Или лучше взять 7805 как в Вашей схеме и спаять по ней?

    p.s. Спасибо за статью, очень в тему и по делу.

  22. : ну в целом, несмотря на то, что данный чип, судя по документации не предназначен для работы в автомобилях, работать, вероятно будет.
    Я бы поставил на вход диод (чтоб не пропускать обратные скачки напряжения, трансил и конденсатор пожирнее (микрофарад на 500-1000). Остальное как по схеме в документации.
    А что вы питать будете? Микроконтроллер?

  23. Спасибо за ответ, понял.
    Делаю Блютус-ресивер на базе raspberry pi. Плюс зарядка usb, т.е. на 2-3 ампера тока.
    В можете пояснить, в чем разница между этими чипами? Чем ему будет плохо в бортовой сети?
    Возможно я вообще не в то сторону смотрю, и есть более подходящие альтернативы?

  24. :
    для работы в машинах разрабатываются специальные, живучие чипы, с дополнительными защитами, с расширенным диапазоном рабочих температур и т.п. и в даташитах обозначаются они сакральным слово automotive.
    Ваш чип, при зарядке телефона и питаниии распберри будет почти на грани возможностей. На выходе начннет появляться шум, и фиг знает не упадет ли выход вообще в ноль, если в какой-то момент вы включите стартер.
    Лично я бы купил на ebay DC-DC конвертер на 5 или лучше 10 ампер в герметичном корпусе с радиатором и не парился. Стоит копейки, работает хорошо.

  25. , такого плана имеете в виду?
    На чип-дипе больше 3к стоит такой на 10А. Не то что прям очень много, но не бюджетно. Хотя вроде защиты в нем за глаза.

  26. :
    Ой же красота какая. Спасибо большое, будем искать!

Добавить комментарий

Закрыть меню