Введение

Задачей курсового проекта является развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭАВТ.

Цель курсового проекта – научиться пользоваться нормативно-технической документацией при разработке изделия, изучить порядок построения, изложения и оформления конструкторской документации.

Микроэлектроника, заявившая о себе в начале шестидесятых годов, сегодня оказывает решающее влияние на техническое перевооружение во всех областях радиоэлектроники. Цифровая техника – самое перспективное направление в современной электронике, в науке, народном хозяйстве, в учебном процессе в общеобразовательных школах, лицеях, техникумах, институтах и университетах. Без нее немыслим дальнейший научно-технический прогресс. Вряд ли нужно доказывать, какие огромные возможности вносит цифровая техника в радиолюбительское творчество.

Автомата-прогреватель двигателя предназначен для поддержания двигателя дизельного ав­томобиля прогретым в холодное время года в отсутствие его хозяина. Многим владельцам таких машин приходилось сталкиваться с проблемой запуска дизе­ля в морозные дни, что обычно связано с довольно высоким значением темпера­туры замерзания распространенных ма­рок дизельного топлива. [1]

Дорогие модели автомобилей осна­щены специальным автоматом, позволя­ющим без труда запускать и прогревать дизельный двигатель в заданное время или через заданные промежутки време­ни. Отталкиваясь от этой идеи, было разработано устройство, которое через заданные промежутки времени запускает дизель, дает ему поработать некоторое время и выключает. Автомат–прогреватель был изготовлен в нескольких экземплярах и показал надежную работу. В частности, уже три зимы он успешно эксплуатирует­ся на автомобиле "Ford Transit". [1]

1. Расширенное техническое задание

Автомат-прогреватель двигателя предназначен для поддержания двигателя дизельного ав­томобиля прогретым в холодное время года в отсутствие его хозяина. [1]

Автомат-прогреватель применяется в автомобилях с дизельным двигателем.

1. Состав изделия:

- основной модуль;

- модуль индикации.

2. Технические требования:

- напряжение питания 12 В

- максимально потребляемый ток 200 мА

- потребляемая мощность, не более 2,5 Вт

- эксплуатация в помещениях 3 категории (неотапливаемые помещения с естественной вентиляцией)

- температура от -25 до +50 ºС

- влажность при температуре 25 ºС и атмосферном

давлении 86-106 кПа, не более 90%

3. Требования надежности:

- наработка на отказ 15 – 25 тыс. часов

- интенсивность отказов 10^-7 – 10^-9 ч^-1

3. Конструктивные требования

- использование интегральной и дискретной элементной базы;

- органы управления вынести на панель;

- масса, форма и габариты устанавливаются в процессе проектирования;

- окрашивается в любой цвет.

3. Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:

- схема электрическая принципиальная А2

- таблица соединений А4

- сборочный чертеж изделия А1

- сборочный чертеж печатной платы А2

- печатная плата А1

2. Анализ электрической схемы. Обоснование выбора элементной базы

2.1 Анализ работы электрической схемы

Описание автоматического устройства, позволяющего в зимнее время поддерживать в температурной готовности бензиновый автомобильный двигатель, был опубликован в журнале еще в 1978 году во втором номере, на страницах 24, 25. Сейчас все более широкое распространение получают автомобили с дизельным двигателем. Ниже описано устройство того же назначения для дизеля в соответствии со статьей. [1]

Автомат представляет собой таймер с исполнительными узлами, работающий в следующем режиме: двухчасовая пауза, после чего включается зажигание че­рез 6…8 с, необходимых для прогревания накальных свечей, включается стартер, двигатель запускается; он работает в те­чение 7 или 15 мин, после чего зажигание выключается, двигатель останавливается и следует новая двухчасовая пауза.

Большинство дизелей оборудовано специальными накальными свечами, предназначенными для подогревания топлива и установленными в цилиндрах (по одной на цилиндр), или одной свечой на впускном патрубке. Для запуска зимой современного дизельного двигателя сна­чала включают зажигание – происходит открывание электромагнитного клапана подачи топлива. Далее, в зависимости от способа включения накальных свечей, возможны два варианта: [1]

1. После включения зажигания на­пряжение поступает на термоконтактное реле управления накальными свечами. Если температура топлива слишком низкая, происходит срабатывание реле и включение свечей. После прогрева­ния топлива реле отключает свечи, т. е. после включения зажигания надо вы­держать паузу 2...8 с до выключения контрольной лампы и включить стартер.

2. Реле управления свечами и, таким образом, сами свечи включают специ­альной кнопкой, вынесенной на панель приборов. Включение реле возможно только после включения зажигания. Вы­ключаются свечи тем же реле посредст­вом термоконтактного датчика после прогревания топлива или отпусканием кнопки. Короче говоря, после включения зажигания нажимают на кнопку и выдер­живают паузу (те же 2...8 с) до выключе­ния контрольной лампы.

Теперь включают стартер, и если дви­гатель исправен и правильно отрегулиро­ван, после нескольких оборотов коленча­того вала происходит его запуск и работа на устойчивой частоте вращения.

Для работы с автоматом-прогревателем водитель должен включить пита­ние устройства и в варианте 2 – питание свечей (замкнуть контакты кнопки). Все остальное выполняет автоматика. Если кнопка без фиксации в нажатом положе­нии, нужно параллельно ее контактам подключить тумблер и установить его в удобном месте. [1]

После включения питания тумблером SA2 начинается за­рядка конденсатора С3 напряжением 5 В от стабилизатора VT12VD5R24 через резистор R6. На коллекторе закрытого составного транзистора VT3VT4 присут­ствует напряжение 5 В, что вызывает об­нуление всех счетчиков DD1, DD3—DD5 по входу R. Примерно через 0,5 с конденсатор зарядится, составной транзис­тор VT3VT4 откроется, разрешая работу счетчиков.

На микросхеме DD1 собран задающий генератор минутных импульсов, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Эти импульсы посту­пают на вход делителя частоты, выпол­ненного на счетчиках DD3, DD4. Через 2 ч после включения устройства на выходе 4 счетчика DD4 появится высокий уровень, открывающий транзисторы VT7, VT8, VT10. Напряжение 12 В поступит на вы­ход ТК (топливный клапан) автомата, что соответствует включению зажигания. [1]

Высокий уровень с выхода 4 счетчика DD4 проходит через цепь VD3R9 и заряжа­ет конденсатор С4. Узел, выполненный на элементах DD2.1, DD2.2, обеспечивает временную задержку на 6 с, необходимую для прогревания накальных свечей. Через указанное время высокий уровень с выхо­да элемента DD2.2 через цепь VD2R10C5 поступает на базу составного транзистора VТ5VT6, в результате чего он открывается, открывая и VT9. Теперь напряжение 12 В появляется на выходе PC (реле стар­тера), что соответствует повороту ключа в замке зажигания в положение "Стартер".

С этого момента стартер начинает вращать коленчатый вал двигателя. Од­новременно начинается зарядка конден­сатора С5, которая длится примерно 5...6 с, после чего транзисторы VT5, VT6, VT9 закроются и отключат реле стартера. Этого времени достаточно для запуска исправного двигателя. [1]

Элемент DD2.3 следит за напряжением в бортовой сети автомобиля. По уровню этого параметра узел определяет, запус­тился двигатель или нет. Такой узел, хотя и требует точной регулировки, зато наибо­лее прост.

Сразу после включения питания на входах элемента DD2.3 устанавливается низкий уровень (поскольку конденсаторы С6 и С7 разряжены), а на выходе – высо­кий. На нижнем по схеме входе элемента DD2.4 – низкий уровень (так как в первый момент конденсатор С8 разряжен), сле­довательно, на выходе этого элемента – высокий уровень, из-за чего транзистор VT11 открыт, а диод VD4 закрыт.

В момент открывания транзистора VT10 (включение зажигания) конденса­тор С8 разряжен, поэтому на выходе элемента DD2.4 остается низкий уро­вень и диод VD4 также остается закрытым. Далее конденсатор С8 заряжается, но элемент DD2.4 сможет переключить­ся только тогда, когда на его верхнем входе высокий уровень, а напряжение на конденсаторе С8 достигнет 2,5 В и более. Для этого требуется отрезок времени около 10 с, к концу которого двигатель уже должен работать.

После запуска двигателя напряжение в бортовой сети увеличивается до 14,5...15 В. Увеличивается напряжение и на входе элемента DD2.3, высокий уровень на его выходе сменяется низким, из-за чего состояние элемента DD2.4 не изменяется. [1]

Если двигатель не запустился или за­пустился и остановился, значит, напря­жение в бортовой сети уменьшилось до 13,5...12,5 В в зависимости от степени заряженности батареи аккумуляторов. При этом на выходе элемента DD2.3 и на верхнем по схеме входе элемента DD2.4, появится высокий уровень, на нижнем входе элемента DD2.4 – тоже высокий уровень. В результате на выходе элемен­та DD2.4 появится низкий уровень, тран­зистор VT11 закроется, а диод VD4 от­кроется, что, в свою очередь, приведет к обнулению счетчиков DD1, DD3–DD5, закрыванию транзистора VT10 и аварий­ному выключению зажигания. Это пре­дотвращает ситуации, когда двигатель не работает, а зажигание –включено.

Одновременно с открыванием транзи­сторов VT7, VT8, VT10 высокий уровень с выхода 4 счетчика DD4 поступает на вход CN счетчика DD5 и разрешает счет минут­ных импульсов. Переключателем SA1 вы­бирают подсчитываемое их число – 8 или 16. Таким образом, в зависимости от по­ложения контактов переключателя SA1, через 8 или 16 мин высокий уровень от­кроет транзистор VT2 и произойдет обну­ление счетчиков, т. е. выключение зажига­ния и остановка двигателя. Длительность импульса обнуления очень мала (менее 1 мкс). Сразу же после него начинается новый подсчет минутных импульсов счет­чиками DD3, DD4, и через 2 ч все вышепе­речисленные процессы повторяются. [1]

Резистором R17 устанавливают поро­говое напряжение бортовой сети, при ко­тором переключается элемент DD2.3.

2.2 Обоснование выбора элементной базы

Почти все детали автомата смонтиро­ваны на печатной плате, помещенной в пластмассовый корпус. Подключают уст­ройство к автомобилю четырехпроводным кабелем через разъем, розетка которого установлена возле замка зажигания. Дли­на кабеля должна позволять класть авто­мат на переднее сиденье автомобиля.

Для обеспечения малого энергопотребления в автомате-прогревателе применяются микросхемы серии К561 и К176, выполненных по КМОП-технологии. Они представляют собой комплекс микромощных микросхем, второй – третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. Предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жесткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника. Основной особенностью этих микросхем является малое потребление тока в статическом режиме – 0,1…100 мкА, при U_и.п. = 315 В, допустимый уровень пульсаций не более 0,2 В. Минимальное напряжение логического 0 на входе микросхемы: 1,4 В при напряжении питания 5 В и 2,9 В – при 10 В. Для нормальной работы микросхемы длительность фронтов входных импульсов должна быть не более 10, 5 и 1 мкс при напряжениях питания 5, 10 и 15 В соответственно. [8]

В автомате применяется микросхема серии К561ЛА7 (ЛА7 – четыре логических элемента 2И-НЕ) и микросхемы серии К176ИЕ2 и К176ИЕ12 (ИЕ2 – двоично-десятичный 4-разрядный счетчик). [4]

В устройстве применены резисторы МЛТ. Это резисторы с металлодиэлектрическим проводящем слоем предназначенны для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. МЛТ относятся к неизолированным. Номинальная мощность 0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт, 2 Вт. [2]

Предельные эксплутационные данные:

- температура окружающей среды –60…+70 С

- предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока

0,125 Вт 200 В

0,25 Вт 250 В

0,5 Вт 350 В

2 Вт 750 В

- минимальная наработка 25000 ч

- срок сохраняемости 15 лет

Достоинством данного типа резисторов является широкий диапазон номинальных сопротивлений, малые габаритные размеры, большой срок сохраняемости, широкий диапазон рабочих температур.

Кроме резисторов МЛТ в схеме используется резистор С3-14. Это резистор с композиционным лакосажевым проводящим слоем предназначен для работы в цепях постоянного и переменного тока в качестве элемента навесного монтажа. [2]

Достоинством данного типа резисторов является малые габаритные размеры по сравнению с другими резисторами на 10 МОм.

В схеме используется подстроечный резистор РП1-60 – одинарный однооборотный с круговым перемещением подвижной системы, предназначен для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока, для печатного монтажа. [2]

Для обеспечения заданной точности и стабильности частоты, в цепи генератора тактовых импульсов следует выбирать конденсаторы с низким значением температурного коэффициента емкости ТКЕ. Выбраны конденсаторы типа К10-7В и КМ-6 со следующими параметрами: [2]

- допуски 5, 10

- номинальное напряжение 50 В

- группа по ТКЕ М760; Н90

- диапазон рабочих температур от –60 до +100 С

В остальных цепях устройства применены оксидные конденсаторы К50-16.

Основные параметры К50-16:

- допуски -20…+80 

- номинальное напряжение 6; 16 В

- диапазон рабочих температур от –20 до +70 С

В качестве подстроечного конденсатора выбран КТ4-21 – керамический. Данный конденсатор предназначен для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока, для печатных схем с креплением пайкой за выводы. Характеризуется небольшими размерами. [2]

Диод Д220 – кремниевый сплавной. Выпускается в металостеклянном корпусе с гибкими выводами. Диоды Д220 заменимы другими на максимальный ток не менее 20 мА. [3]

Диод Д220 имеет следующие основные параметры:

- постоянный или средний прямой ток 20 мА

- постоянное прямое напряжение 1,6 В

- постоянное обратное напряжение 50 В

- температура окружающей среды от 213 до 373 К

В качестве диода VD6 может быть применен любой маломощный кремниевый диод. В данном устройстве применен диод КД105А – кремниевый диффузионный. Выпускается в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Диод КД105А имеет следующие основные параметры:

- постоянный (средний) прямой ток 300 мА

- постоянное прямое напряжение 1 В

- постоянное обратное напряжение 50 В

- импульсный прямой ток 15 А

- температура окружающей среды от 218 до 358 К

Стабилитрон КС156А – кремниевый сплавной. Выпускается в металостеклянном корпусе с гибкими выводами. [3]

Основное требование к транзисто­рам – статический коэффициент пере­дачи тока не менее 50. Транзисторы КТ315, КТ817 можно использовать с лю­быми буквенными индексами. Вместо КТ818В подойдут и другие мощные транзисторы p-n-р с коэффициентом передачи тока не менее 50. Так как мощные транзисторы VT9, VT10 работают в переключательном ре­жиме и при низкой температуре окружа­ющего воздуха, достаточно установить их на теплоотводы площадью 5 см² каждый. [1]

Для индикации применен светодиод типа АЛ307А. Светоизлучающий диод арсенид-гелий алюминиевый в пластмассовом корпусе красного цвета. Предназначен для визуальной индикации. Диод маркируется цветными точками – одной черной. Масса диода не более 0,25 г.

Электрические и световые параметры:

- сила света, не менее 0,15мкд

- постоянное прямое напряжение при I_пр= 10 мА 2 В

- цвет свечения красный

- постоянный прямой ток 20 мА

- обратное напряжение 2 В

- температура окружающей среды от 213 до 343 К

В качестве переключателей SA1 и SA2 может быть применен переключатель с коммутируемым током не менее 350 мА, типа П1Т-1-1. Отличительной чертой этого переключателей являются малые габаритные размеры при сохранении широкого диапазона коммутируемых токов и напряжений. [3]

- габаритные размеры 37,5·12,5·14 мм

- диапазон коммутируемых токов

постоянного (переменного) 5 · 10^-4…4 (5 · 10^-4…3) А

- диапазон коммутируемых напряжений

постоянное (переменное) 0,5…30 (0,5…250) В

- сопротивление электрических контактов 0,05 Ом;

- максимальное число коммутаций 10⁴

В качестве кварцевого резонатора может быть использован резонатор РК206-N – низкочастотный кварцевый резонатор с пьезоэлементом камертонного типа. Обладая микроминиатюрным размером, эти резонаторы идеально подходят для применения в микропроцессорной и портативной аппаратуре, средствах связи и вычислительных устройствах.

Возможности кварцевого резонатора: высокая ударная и вибрационная прочность, микроминиатюрный размер, индустриальный диапазон рабочих температур, высокая стабильность, низкое энергопотребление, низкая стоимость.

2.2.1 Характеристика основных элементов. На плате, которая является основным модулем установлены следующие элементы:

1) Диод Д220 (СМ 3.362.041 ТУ) кремниевый сплавной. Выпускается в металостеклянном корпусе с гибкими выводами. Диапазон температур от –62 до +98 С. Вариант установки –IIа. Установочная площадь – 91 мм.

Диод КД105А (СМ 3.362.812 ТУ) кремниевый диффузионный. Выпускается в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Диапазон температур от –57 до +83 С. Вариант установки –IIа. Установочная площадь – 114 мм.

Стабилитрон КС156А (ТР 3.362.060 ТУ) кремниевый сплавной. Выпускается в металостеклянном корпусе с гибкими выводами. Диапазон температур от –62 до +98 С. Вариант установки –IIа. Установочная площадь – 182 мм.

2) Конденсатор К10-7В (ГОСТ 5.621-77) керамический. Выпускается в обычном исполнении прямоугольной формы. Диапазон температур от –60 до +100 С. Вариант установки –IIв. Установочная площадь – 12 мм.

Конденсатор К50-16А (ОЖО.464.111 ТУ) алюминиевый оксидно-электрический. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах. Диапазон температур от –20 до +70 С. Вариант установки – II в. Установочная площадь – 82 мм (C3, С6, С9), 120 мм (C4, С5, С8, С12, С13), 16 мм (C7).

Конденсатор КМ-6 (ОЖО.464.111 ТУ) алюминиевый оксидно-электрический. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах. Диапазон температур от –60 до +100 С. Вариант установки – II в. Установочная площадь – 78 мм.

Конденсатор КТ4-21 (ОЖО.ХХХ.ХХХ ТУ) керамические дисковые. Выпускается в цилиндрических металлических корпусах. Диапазон температур от –60 до +155 С. Вариант установки – II в. Установочная площадь – 17 мм.

3) Кварцевый резонатор PK206-N (ТУ 307-182.004-96) низкочастотный кварцевый резонатор с пьезоэлементом камертонного типа. Диапазон температур от –40 до +85 С. Вариант установки – II в. Установочная площадь – 7 мм.

4) Микросхема К176ИЕ12 (ЩИ 0.487.036 ТУ) представляет собой 60- и 15-разрядный делитель частоты следования импульсов. Диапазон температур . Вариант установки – VIIIа. Установочная площадь – 203 мм.

Микросхема К176ИЕ2 (ЩИ 0.487.036 ТУ) представляет собой двоично-десятичный 4-разрядный счетчик. Диапазон температур . Вариант установки – VIIIа. Установочная площадь – 203 мм.

Микросхема К561ЛА7 (бК0.348.457-11 ТУ) представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Диапазон температур . Вариант установки – VIIIа. Установочная площадь – 203 мм.

5) Резисторы МЛТ-0,125 (ГОСТ 7113-77) с металлодиэлектрическим проводящем слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. МЛТ относятся к неизолированным. Диапазон температур от –60 до +70 С. Вариант установки – II а. Установочная площадь – 29 мм.

Резисторы МЛТ-0,25 (ГОСТ 7113-77) с металлодиэлектрическим проводящем слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. МЛТ относятся к неизолированным. Диапазон температур от –60 до +70 С. Вариант установки – II а. Установочная площадь – 49 мм.

Резисторы МЛТ-0,5 (ГОСТ 7113-77) с металлодиэлектрическим проводящем слоем предназначены в качестве элементов навесного монтажа. МЛТ относятся к неизолированным. Диапазон температур от –60 до +70 С. Вариант установки – II а. Установочная площадь – 82 мм.

Резисторы МЛТ-2 (ГОСТ 7113-77) с металлодиэлектрическим проводящем слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа. МЛТ относятся к неизолированным. Диапазон температур от –60 до +70 С. Вариант установки – II а. Установочная площадь – 252 мм.

Резистор С3-14 (ОЖО.468.372 ТУ) высокомегаомные лакопленочные компазиционые. Диапазон температур от –25 до +70 С. Вариант установки –IIа. Установочная площадь – 26 мм.

Резистор РП1-60 (АПШК.434160.041 ТУ) керметные композиционные подстроечный. Диапазон температур от –60 до +70 С. Вариант установки –IIв. Установочная площадь – 45 мм.

6) Транзистор КТ315А (ЖК 3.365.200 ТУ) маломощный высокочастотный. Диапазон температур от +10 до +60 С. Вариант установки –IIв. Установочная площадь – 20 мм.

Транзистор КТ817А (ХХ Х.ХХХ.ХХХ ТУ) кремневый мощный низкочастотный. Диапазон температур +25 С. Вариант установки –IIв. Установочная площадь – 19 мм.

Транзистор КТ818А (ХХ Х.ХХХ.ХХХ ТУ) кремневый мощный низкочастотный. Диапазон температур +25 С. Вариант установки –IIв. Установочная площадь – 16 мм.

2.3 Анализ критических элементов по электромагнитной совместимости и тепловому режиму

Критические элементы по электромагнитной совместимости и тепловому режиму

Таблица 1

Наименование элемента	Количество, шт.	Выделение тепла на один элемент, Вт	Общее выделение тепла, Вт
Транзистор КТ817А	4	2,5	10
Транзистор КТ818А	2	2,5	5
Итого	6	5	15

В данной схеме используются транзисторы КТ817А (VT4,VT6,VT8,VT12), КТ818А (VT9,VT10).

Вывод: расстояние между транзисторами соблюдается порядком 5 мм, в приборе имеется естественное охлаждение поэтому данные элементы не нуждаются в дополнительном охлаждении. А так как мощные транзисторы VT9, VT10 работают в переключательном ре­жиме и при низкой температуре окружа­ющего воздуха, достаточно установить их на теплоотводы площадью 5 см² каждый.

2.4 Анализ элементов управления, индикации и присоединения

Органом управления являются переключатели.

Переключатель П1Т-1-1 (АГО.360.460 ТУ11-84) перекидной имеет два фиксированных положения. Диапазон атмосферного давления для переключателя – 0,6…104 кПа. Относительная влажность воздуха при +35 С – до 98 %. Площадь нижней части переключателя – 75 мм. Объем, занимаемый нижней частью переключателя – 1312,5 м³.

Индикация сигнализирует о том, включен автомат или выключен.

Светодиод АЛ307А (XXX.XXX.XXX-XX) светоизлучающий диод арсенид-галий-алюминевый в пластмассовом корпусе красного цвета. Диапазон температур от–62 до +68 С. Предназначен для визуальной индикации.

Подключение автомата-прогревателя к электрическому оборудованию автомобиля осуществляется с помощью разъема (ГС 0.364.006ТУ).

При соединении платы, переключателей и модуля индикации применяется объемный монтаж.