10级汽车电控技术课程设计指导(车辆5班)书.doc

华南理工大学广州学院汽车电控技术课程设计指导书汽车工程学院二O一三年五月一、方案设计内容为:1、电子调压器的设计有A、B型，额定电压分别为14、28、42伏；励磁电流为别为0.1-2A。如图1、2所示电路。图1 A型电子调压器 图2 B型电子调压器2、 电子点火器的设计有A、B型,其额定电压分别为12、24、42伏；最大电流分别为：0.1-2A。如图3、4所示。图3 A型电子点火器图4 B型电子点火器B二、课程设计内容要求本课程设计要求同学首先根据课题内容查找有关资料，它包括各种汽车维修技术手册、汽车电器手册、电子电路的各种教科书、各种汽车说明书、各种汽车文献、专利资料。通过阅读资料了解有关资料电路的工作原理。并在课程设计说明书中、用文字表达每种电路的工作原理。分析它们的优点、特点。然后进行自己的课程设计，必须掌握自己课题电路的工作原理。在此基础上进行电路的计算分析，根据指导教师给出的设计要求,逐渐往下推进，计算总电路的电流、各分路的电流、电压、电阻的阻值、总耗损功率，每个分支电路的耗损功率，根据计算结果、确定电路中各元件参数。最后通过查找手册、比较确定元件的型号，并画出电路设计图。在课程设计说明书中，这部分内容最重要。最后完成设计的设备检测电路图的设计,并说明检测原理和绘制检测电路图。三、说明书编写任务设计说明书应反映设计思想，总结和说明设计过程，以作为审核设计的依据。设计说明书必须包括以下内容和要求1设计题目、设计任务和要求；2完成设计题目的现状，介绍自己查找阅读的有关设计资料内容，要求最少介绍三种以上与自己设计电路有关电路的工作原理；3介绍自己设计电路的工作原理；进行各种参数的计算，包括各三极管、二极管、电容上耐压值的计算；三极管、二极管、电阻上通过电流值、功率的计算等内容；4设计产品检测试验电路并介绍试验电路的工作原理与目的；5电路设计总图1张；6设计的心得体会和收获；7设计中阅读参考文献目录；8设计说明书统一抄写，抄写的字迹不得潦草并注意纸面整洁。在说明书中应画出必要的电路图，设计说明书应有封面及标题（题目名称）、年级、专业、班级、姓名和学号。设计全部完成后将说明书、图纸等全部设计资料整理好装在文件袋内交指导教师，以便评定成绩。 课程设计范例参考一、设计课题：电子调压器的设计 二、摘要电子调压器的设计概述汽车发电机是为车辆提供电能的电器设备，由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，其转速随发动机转速的变化而变化，而且发动机和交流发电机的速比为1.73，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大。而发电机电动势的高低与发电机的转速及磁极的磁通成正比，因此发电机的电压必然随着转速的变化而变化，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，由于在一定条件下发电机的输出功率是定值(P功率I电流U电压)，当车辆电器负载较小时，发电机电压会升高，而车辆电器负载较大时，发电机电压会降低。而车用电器设备及蓄电池充电均要求发电机必须在某一恒定电压下工作，如12V 系统的工作电压一般为140.25V，24V系统的工作电压为280.3V。为了满足用电设备恒定电压的要求，使交流发电机的输出电压在发动机的所有工况下基本保持恒定，交流发电机必须配用电压调节器才能工作，这就产生了调节和控制电压的装置电压调节器。三、 汽车发电机调压器的发展趋势、本课题设计的意义、调压器的作用1、调压器的作用电压调节器是把发电机输出电压控制在规定范围内的装置，其功用是在发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持恒定，使其不因发电机转速高时电压过高烧坏用电器和导致蓄电池过充电；也不会因发电机转速低而电压不足导致用电器工作失常。电压调节器主要是利用改变流过转子的激磁电流通断，进而调节转子磁场的大小进行工作的。当发电机产生的电压低于调节电压，调节器不起作用。当发电机输出电压超过调节电压预设值时，励磁电流被调节器断开。这时发电机电压下降，当降到下限电压额定值时，调节器重新接通励磁电流，电压再次逐渐升高，调节器开始新一轮调节循环。2、汽车发电机调压器的发展趋势汽车发电机电压调节器随着汽车交流发电机的广泛使用，在发电机中起输出电压调节作用的调节器也得到不断发展，它是发电机的一个关键部件，也是技术含量较高和技术更新换代较快的零部件。自上世纪50年代交流发电机问世以来，随着技术的进步发展和车辆使用要求的提高，调节器大致经历了以下4个发展阶段。第一阶段：电磁式电压调节器，即机械式调节器。这种调节器有触点、铁心、支架、弹簧等机械部分，利用触点的不断振动，通过触点的开闭时间，来控制发电机的激磁电流，使发电机的输出电压得到稳定。但其结构复杂、体积大、质量重、故障多、可靠性差、寿命短；电压调节精度低，其控制范围一般在1V左右，甚至还要更大。而且其触点振动时会产生火花，造成触点烧蚀，无线电干扰大，现在基本已被淘汰。第二阶段：分立元件调节器。20世纪60年代以来，随着半导体技术的发展，开始采用分立元件的晶体管电压调节器。该类调节器利用串联在发电机激磁电路中的大功率三极管的导通与截止来控制激磁电路的通和断，调节激磁电流的大小，使发电机的输出电压稳定在规定值范围之内。分立元件调节器将全部的电子元件焊接在印制的电路板上，并固定在调节器壳体内，然后用硅胶灌封。相对电磁式调节器而言，其电压调节精度高，一般控制在0.30.5V之间；结构简单，体积小，没有无线电干扰，成本更低。因此，分立元件调节器在当时被广泛应用，目前国内仍有发电机厂家在采用。但是受专业焊接、电器件筛选设备的水平、电器件本身稳定性的限制，分立元件调节器一致性差、抗反向电压能力差、抗振性差、调节器容易失控，只适合当时车用电器较少且要求不高的状况。因此随着性能更加优异的集成电路的出现，其正逐渐退出历史舞台。第三阶段：半导体集成电路调节器。20世纪70年代以来，随着半导体技术的进一步发展，半导体集成电路调节器得到了广泛的应用和发展。该类调节器也是利用晶体管组成开关电路，以控制激磁电流通断时间来调节发电机的输出电压。但是，所有晶体管都不再用外壳，而是把二极管、三极管的管芯集成在一块硅基片上。这就实现了调节器的小型化，可以将其装在发电机内部，减少了外接线，缩小了整个充电系统的体积。另外其调节精度高，在转速和负载变化时，电压波动范围一般不大于0.3V；成本较低，抗振性好。但是随着车辆用电器的增加，客户希望进一步提高调节器的可靠性，并能实现更多的功能，如：报警、自保护等，因此出现了混合集成电路调节器(有人称之为第四阶段)。第四阶段：混合集成电路调节器。这种调节器是把专用的集成电路芯片与相关的电阻、电容、配线等元件做在绝缘膜上，在其外部采用统一的封装形式，做成一个模块化的单元，然后再将此模块与三极管、二极管等集成在基片上。根据绝缘膜的厚度，可分为薄膜混合集成电路和厚膜混合集成电路。混合集成电路调节器调节精度更高、绝缘性能好，减少了外部温度、湿度对其的影响、寿命更长，更能适应外部环境的变化。 国内目前市场上主导产品为第三代和第四代调节器，但因车型不同仍有所差别。国内轿车已全部采用引进技术的发电机即全部采用第四代调节器；低档卡车和农用车为降低成本，大部分采用第二代调节器；中高档卡车使用的调节器参差不齐，第二代、第三代和第四代调节器均有使用；客车由于用电器较多，其大功率发电机基本上采用稳定性更高的第四代调节器。而真正的第四代集成电路调节器制造工艺非常严格并且达到规模化生产才能降低成本，只有具备相当专业技术水平、设备水平和规模化的专业厂家才能生产。但基本原理不变,与分立元件调节器相同。四、调研的资料介绍本人为更好地设计电子调压器,查找了巳有的电子调压器如下图1、2、3、5所示。并了解其原理如下： 图1五十铃汽车晶体管调节器(1)五十铃汽车工作原理如下： l)当接通点火开关S时，蓄电池电流经R4，进入调节器，由于R6、Rv、R7组成的分压器在R6与部分Rv上的分压不足以使VW击穿，故V2截止，V1导通，发电机获得激磁电流，其回路为: 蓄电池正极点火开关SR4V1发射极V1集电极激磁绕组搭铁蓄电池负极此时回路申串人了R4其激磁电流约为0.4A。由于发电机末工作其中性点N无电压。继电器K保持常态,电源经R4、R5加到V3的be结。使V3导通，充电指示灯亮。2)当发电机电压低于充电电压时。中性点N的电压不足以使继电器K动作，调节器的工作状态与上述相同。3)当发电机电压高于充电电压。但低于调节电压时。发电机中性点N的电压大于9V。磁场及充电指示继电器动作 (常开触点闭合、常闭触点打开)。其激磁电路为：蓄电池正极点火开关SV1发射极V1集电极激磁绕组搭铁蓄电池负极此时R4被短路。发电机进入证常激磁状态。其激磁电流在2A左右。由于K的常闭触点打开，V3因无基流而截止，充电指示灯灭。 4）当发电机因其转速升高或负荷减少使输出电压高于调节电压(28v，时，Vw被击穿，V2获基流而导通，将V1的基极与发射极短接，使V2截止，激磁电流被切断，发电机电压迅速下降。当发电机电压降到一定值时，Vw又截止，V2随之截止，V1又导通，发电机重新获得激磁电流，输出电压再次升高。如此往复，保持发电机输出电压恒定。图2工作原理如下所示为PI一2型晶体管调节器原理图，该调节器电压调节部分主要由V1、V2、V3、V4和Vw组成。该调节器具有充电指示灯H电路外，还有如下特点:采用了两只NPN型三极管与稳压管Vw串联有二极管V6，用以对Vw进行温度补偿;装有正反馈电阻R9，以加速晶体管工作状况的转换过程；电容器C1用以降低开关的频率，提高晶体管工作的稳定性。由于这些特点，使PH一2的性能大大改进。图2 PI一2型晶体管调节器原理图当发电机电压低于调节电压时，Vw不被击穿，V1无基极电流而截止，V2基极处于高电位，V2导通，从而使V3导通，发电机的激磁回路被接通。同时、由于V3导通，其集电极电压很高，该电压通过R10加到V5的基极，使V5导通。V4也通过R13导通，接通指示灯电路，充电指示灯亮。 当发电机电压高于调节电压时，Vw被击穿，V1有基流而导通，使V2的基极为低电位而截止，V3也截止。V3截止后其集电极为负电位，从而V5无基流而截止，V4也截止，充电指示灯的电路被切断，指示灯熄灭。当调节器进入正常调节状态时，V3的截止与导通不断转换，其基极上是幅值约为l4V的矩形交变电压，该电压经R11、C4加到由二极管V9、V1组成的整流器上，使正半波通过V9负半波流过V10并使电容器C5充电。来自C5的负电压经V11 、V12限制在1516V左右，加到V5基极，使V5截止，故V4也截止，充电指示灯灭。因此当发电机电压高于调节电压后，充电指示灯灭，指示发电机已在充电。(2) 图3工作原理如下所示为日本电装公司有过电压保护电路的调节器原理图。图中Vw，、R和V2组成过电压保护电路，这种保护电路很容易与调节器作成一体，使结构简化、不需要单独接线。当电系工作正常时，过电压检测稳庇管Vw，与过电压保护三极管 V2均不起作用，故无功耗。当电系产生不过电压时。Vw，被击穿导通，从而使V2也导通，使V1、V1截止，激磁电流被切断，发电机输出电压迅速下降。过电压消失后，Vw，截止，V2也截止，调节器恢复五常工作。图3 日本电装公司有过电压保护电路的调节器原理图(3) 五十铃车用集成电路调节器工作原理如下 该调节器的工作原理如图4所示。图4五十铃车用集成电路调节器当接通点火开关时。调节器激磁回路中串入了R，激磁电流小;L端的电压是限流电阻R与磁场绕组电阻RL的分压；充电继电器不动作，充电指示灯亮。发电机发电后。当L端的电压大于充电器的工作电压时。继电器动作，充电指示灯电路被切断而熄灭，表示发电饥已向或可向蓄电池充电，同时激磁电流增大。当发电机输出电压高于调节电压时，调节器切断激磁电流，使输出电压降低。在这一调节过程中，功率管V1总是工作在开关状态。该调节器的B端是充电系统故障报警端。l2V电系的安全充电电压一般不超过17V，若充电系统发生故障，发电机的电压可能超过安全电压。当B端检测到一一个高于l7V的故障电压后。能迅速切断激磁回路，使发电机输出电压降低；同时充电继电器的报警系统发出报警信号，以便及时发现故障进行维修。 调节器的S端是调节电压自检端。S端直接与蓄电池正端相连，以检测蓄电池端的发电机输出电压。当调节器L端出现故障时，S端具有与B端一样的功能。利用S端检测调节器是否有故障的功能。(5)匈牙利却贝尔D一750型卡车晶体管调节器工作原理如下如图5所示。该调节器采用了两只PNP型管和两只NPN型管，开关电路由复合管V1、V2组成。C1是滤波电容器，可使调节器的电压变得比较平滑。Vs为续流二极管，用于消除发电机自感电势对晶体管的冲击，以保护V3、V4。调节器的D接线柱并不直接搭铁，而是同时与发电机的激磁二极管V6、V7、V8和充电指示灯相连。 其工作过程如下： 接通开关S时，由于R2与R3并联阻值小于R7，V1无基极电流而截止，V2产生基极偏流而导通，V3、V4也随之导通，为发电机提供了激磁电流，其回路为： 蓄电池正极开关S电流表A接线柱十激磁绕组V4的集电极V4的发射极接线柱D充电指示灯搭铁至蓄电池负极。此时激磁电流流经充电指示灯，指示灯亮，激磁电流较小。当发电机运转发电后，采用星形接法的发电机定子三相绕组A、B、C总有一相呈现低电位，即负极，调节器接线柱D由通过充电指示灯搭铁变为通过二极管V6、V7、V8到发电机A、B、C三相绕组形成回路。此时充电指示灯无电流流过而熄灭，激磁电流也因而增大。 当发电机的电压达到调节值时，隐压管2CW被击穿通导，使V1发射极电位高于基极电位而导通。V1导通后又导致V2发射极电位低于基极电位而截止，V3、V4随之截止。发电机激磁电流被切断,发电机电压下降。当发电机电压降到低于调节值时，2CW又截止，V1又截止，V2、V3、V4重新导通，激磁回路再次接通。如此往复，使发电机输出电压稳定。 图5 D一750型卡车晶体管调节器原理图 五、电子调压器的设计设计电子调压要求：电压调节在14V至13.5V、励磁电流小于等于5A。1、首先选取电路图,例如本人设计电子调压器如下图6所示中心线框图内部分;图6的电子调压器工作原理如下： 图6 电子调压器图 (1)接通点火开关S且发电机运转，当其电压低于蓄电池电压时，蓄电池电压加在分压器R1、R2上，R2上的分压低于Vs1的击穿电压，VT1截止。蓄电池电压经R5加在VD2、R7上，电阻R7使VT2获得正向偏压而导通；VT2导通后。偏流电阻R8使VT3获得正向偏压而导通，接通磁场电路。其电流回路为：蓄电池正极一点火开关S一发电机接线柱F1（磁场绕组）与调节器“F”接线柱一VT3一调节器“E”接线柱一蓄电池负极。发电机电压随转速的升高而升高。 (2)当发电机电压达到限额电压时，电阻R1、R2的分压加在VD1、Vs1、R6上，使Vs1击穿导通，VTl随之导通并饱和，VTl集电极对地的电压几乎为零(0.3V)，使VT2失去正向偏压而截止，VT2的截止，又使VT3截止。磁场电流得不到补充，发电机电压下降。当发电机电压稍低于限额值时，Vs1截止，VTl截止，VT2、VT3管获正向偏压而导通，磁场绕组中又有电流通过，发电机电压又上升。VTl三极管与VT2、VT3三极管交替导通、截止，使发电机电压限定在调节电压范围内。2辅助元件的作用 辅助元件用来保护调节器和改善调节器的性能。(1)电阻R3为调整电阻。通过调整其阻值的大小可以调整调节器限额电压的高低。R3的阻值增大，限额电压升高，反之限额电压降低。(2)VD3为续流二极管。在三极管V3截止瞬间，磁场绕组产生的自感电动势经VD3构成回路放电，保护V3管不被击穿。VD1为温度补偿二极管。它与稳压管反向串联，其温度系数为负值，工作温度升高，管压降降低，反之管压降升高。稳压管的温度系数为正值，当温度变化时，起补偿作用，使调节器性能稳定。VD2为分压二极管。当VTl导通时，使VT2、VT3可靠截止，减小VTl温度变化时对VT2、VT3的影响。VS2为稳压二极管。并联在发电机两端，起过压保护作用。(3)R4称为正反馈电阻。其作用是提高VT3的开关速度，减小三极管的耗散功率，延长调节器的使用寿命。(4) 电容器C1、C2称为降频电容。并联在分压电阻R1两端利用其两端电压不能突变的特性来降低VTl的开关频率减小VT1的开关次数从而减小耗散功率，延长调节器的使用寿命。电子调压器的各个元器件根据电路工作原理的分析后进行计算选取。电子调压要求：电压调节小于14V，励磁电流5A。3、 电路中元件的选取根据巳知条件,由后往前推。（1）当VT1截止，VT2、VT3导通 ，即。根据电流大小选择VT3为3DD65A（低频大功率）。各参数为。取，则主要起保护作用，在VT3关断时为防止过电压的产生而设置。当VT2、VT3导通时，从VT2的发射极出来的电流电流主要是经过VT3的基极，再从VT3发射极流出，因而要求通过的电流非常小，即远远小于V3基极的电流，因此。(2802000范围均可)故可选，则，可见通过的电流非常小，因此符合条件。则。初选VT2为3DG33。参数为：。取。则。则。考虑到放大倍数，由于主要起保护作用，当VT2、VT3导通时，从二极管VD2流出来的电流主要是经过VT2的基极，再从VT2发射极流出，而通过的电流非常小，远远小于V2基极的电流，R7 172.84，(1.717K范围均可)不妨取R7=3000所以 电流很小，符合电路的要求。故取，型号为：。因为VT1截止，VT2、VT3所以VT1的集电极电压为2.1V，所以R5=(14-2.1)/(IR7+IB2)=1400 也可选1KR5上电流IR5有:IR5=(14-2.1)/1400=0.0085A 大于35（2） 当VT1导通，VT2、VT3截止时：IR5=(14-0.3)/1400=0.0098A初选 VT1为小功率三极管 3DG6C。其参数为所以 符合要求因此V1所选的型号符合条件。初定放大倍数，取 ，则实际中： ，初选VS1为2CW37-7.5A， 取稳压值为7.1伏。R1与R2间节点电位设为 U2 U2=0.7+0.7+7.1=8.5V。 又 U2=14*R2./R2+R13 求解得取R2=1000则R13=650 取R1=800 R3=3500通过的电流非常小，远远小于V1基极的电流，R6 1750，不妨取R6=4000所以 电流很小，符合电路的要求。而为正反馈电阻，其作用是提高V3的开关速度，减小三极管的耗散功率，使得晶体管不易过热烧坏，延长调节器的使用寿命，其阻值都比较大，一般为几十千欧，不妨取=50K。根据电路的性能要求，结合工作电压和电容器的选用要求，电容器的选用如下： 选用铝电解电容，型号为：CD11L，额定电压，标称容量 0.1F 。 选用铝电解电容，型号为：CD11L，额定电压，标称容量 0.1F 。二极管的选用：因为故VD1选用2CZ52A。其参数为：最高反向工作电压，正向电压最大正向整流电流因为故选用2CZ52A其参数为：最高反向工作电压，正向电压最大正向整流电流。续流二极管VD4的作用是，当开关晶体管V3截止时，磁场绕组产生的自感电动势经VD4形成通路，保护V3管不被击穿，从而保护了调节器中的电子元件，故VD4可选用2CZ10A，各参数：最高反向工作电压，正向电压4、电子调节器的耗散功率三极管的耗散功率：电阻的耗散功率：略二极管的耗散功率：略 因此，总功率为：各元器件的型号参数序号型号电流(A)耗散功率(W)R1RJ-0.125W-10005I1=0.00850.0723R2RJ-0.125W-8005I2=0.00690.0381R3RJ-0.125W-35005I3=0.00160.0090R4RJ-0.125W-50K5I4=0.00020.0014R5RJ-0.25W-14005I5=0.00980.1344R6RJ-0.125W-40005I6=0.00020.0002R7RJ-0.125W-30005I7=0.00050.0008R8RJ-0.125W-10005I7=0.00070.0005R9RJ-0.125W-505I7=0.04000.0800VD12CZ52 IVD1=0.00060.0004VD22CW3.7-7.5A IVD2=0.00060.0004VD32CZ52A IVD3=0.00880.0062VD42CZ10A IVD4=0.00350.0025VD51N4744IVD5=0.04000.0280VT13DG6C Ic1=0.00930.1000VT23DG33大于35 Ic2=0.24260.0256VT33DD65A Ic3=5.00001.0000C1CD11L 25V 0.15%C2CD11L 25V 0.15%6、 12V10A点火器设计:略去其它内容,只介绍设计部分1、本人设计点火器如下图7所示,其工作原理参考教科书 图72 、电路元件的选取(电流与耗散功率)计算,(由任务要求往前推)设定电源最低电压为11.5V，则选取稳压管VS4的稳压值为11V，根据电路图中各元件的工作原理及作用，相对应的参数计算由后往前推计算如下：V3：因为设定流过点火线圈初级线圈的额定电流为10A，所以V3要选取达林顿管，所以ICM 10A，电压BVCEO 300V，值选取500因此V3选取 FK309A其中 PCM=150W, ICM=12A, BVCEO=400V, BVEBO=5V其耗散功率P=ICVCE=10A1V=10WR11:IH R110.7VR11的值为=0.07因此选取R11为0.07最大耗散功率P=1020.07=7W故选用 RT106VS8:VS8根据V3的耐压值选取，故选取2CN1A其稳压值为400V过电保护作用V2：IC=10A =500I2=0.02A=20mA所以选取3DG2A其中，PCM=100mW ，hFE=30，ICM=30mA，IC=1mA 其最大耗散功率P=ICVCE=201020.3=6mW R6：取I2=30mA R6=287 所以R6取300耗散功率P=I22R6=0.032300=0.37W故选取 RT-0.5V1：I2=30mAI1=1.2mA故选取 3DG2C其中 PCM=100mW，ICM=30mA，hFE=25，IC=3mA耗散功率P=ICVCE=1.210-30.3=0.36mWR4、R5：选取I1=5mAR5=1640 所以R5取1.5K其最大耗散功率P=I12R5=0.00521.5103=38mW故选取 RT-0.125 由于R4要为V1提供很小的基极电流，所以R4要远大于R5I1b=0.005/25=0.0002A R4=(11-0.7)/0.0002=51500=51.5K 因此R4取40K 选取 RT-0.125C2、R1、R3：假设四缸发动机最高转速为4000r/min，则分电器的最高转速为2000r/min；霍尔信号发生器的高低脉冲宽度相等，故每次点火时间为 =0.004s 所以C2每次放电的持续时间为=0.004s由于=(R1+R3) C2=0.004S所以选取C2=0.1F R1=500 R3=3500R1、R3都选取RT-0.125R2：由于R2要防止闭合角回路的分流，所以R2要远大于R1和R3之和。 因此R2取值为R2=250K R2选取RT-0.125R7：