Ministerul educaţiei naţionale şi cercetării ştiinţifice colegiul tehnic "tomis" constanţA Școală europeană

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE ŞI CERCETĂRII ŞTIINŢIFICE COLEGIUL TEHNIC "TOMIS" CONSTANŢA - ȘCOALĂ EUROPEANĂ B-dul. Tomis, Nr. 153, Constanţa 900652 Telefon / Fax : [phone] Web : www.colegiul-tehnic-tomis.ro E-mail : [e-mail]

PROIECT ERASMUS+ 2015-1-RO01-KA102-014314

”Applied Electronics to European Standards in Everyday Life”

CATALOG DE ECHIPAMENTE ŞI INSTALAŢII INTELIGENTE ALE AUTOMOBILULUI MECATRONIC

Modulul IX: CIRCUITE ELECTRONICE




AUTORI:

1. 
   ANGHEL ADRIAN VASILE
   
2. 
   CERCHEZ FRANCISC ȘTEFAN
   
3. 
   CHIRIAC DRAGOȘ ALEXANDRU
   
4. 
   CRĂCIUN FLORIN SEBASTIAN
   
5. 
   HARCOTĂ ANDREI BOGDAN
   
6. 
   IVĂNESCU CĂTĂLIN ANDREI
   
7. 
   LOGOFĂTU CONSTANTIN DANIEL
   
8. 
   MOLDOVEANU SEBASTIAN MIRCEA
   
9. 
   MOMCIU COSMIN
   
10. 
    NEACȘU DAVID MIHAIL
    
11. 
    OPREA PETRIȘOR ALIN
    
12. 
    PĂTRAȘCU ANDREI MIHAI
    
13. 
    SALI AYCUT
    
14. 
    SALIM MARCO GIUNIET
    
15. 
    TABAN RELU ANDREI
    
16. 
    TĂNASE VASILE
    
17. 
    TELEANU DORIN
    
18. 
    URSU LEONARD ȘTEFAN
    

PROF. ING. DUMITROF DOINA - CONSULTANT ȘTIINȚIFIC

PROF. ING. SANDU IULIA - CONSULTANT ȘTIINȚIFIC

CUPRINS

Introducere
Cap.I Dispozitive electronice în instalaţia de alimentare cu energie electrică

1. 
   Regulatoare electronice de tensiune
   

1.1.1. Regulatoare pentru tensiunea de 12 V

1.1.2. Convertoare curent continuu/ curent continuu

1.1.3. Convertoare de curent continuu/ curent alternativ

1.2. Sisteme electronice de aprindere prin scânteie a amestecului carburant

1.2.1. Dispozitive cu tranzistoare (,,aprindere cu contact’’)

1.2.2. Dispozitive cu tiristoare (,,aprinderea prin descărcare capacitivă’’)

1.2.3. Consideraţii asupra unor soluţii constructive actuale

1.3. Aprinderea electronică integrală
Cap. II Dispozitive pentru deconectarea automată, cu temporizare, a farurilor

2.1. Temporizator electronic pentru faruri

2.1.1. Dispozitive pentru deconectarea/reconectarea automată a fazei mari

2.2. Dispozitive pentru comanda luminilor de poziţie

2.2.1. Dispozitiv cu fotorezistenţă, amplificatoroperaţionalşireleu

2.2.2. Dispozitiv cu fotorezistenţăşitranzistoare

2.2.3. Dispozitiv cu fotorezistenţă, tranzistoareşireleu

2.2.4. Dispozitiv cu fototranzistor, tranzistoareşireleu

Cap. III Dispozitivepentrucomandailuminatului din habitaclu

3.1. Temporizator electronic pentruplafonieră

3.2. Dispozitivepentrudeconectareaautomată, cu temporizare, a plafonierei
Cap. IV Dispozitivepentrucomandasemnalizatoarelor de direcţieşi/sau de avarie

4.1. Dispozitivepentrucomandasemnalizatoarelor de avarie

4.1.1. Releu de timp electronic - cu tiristoare

4.1.2. Releu de timp electronic - cu tranzistoare

4.2. Dispozitivepentrucomandasemnalizatoarelor de direcţieşiavarie

4.2.1. Releu de timp electronic cu tranzistoare

4.2.2. Releu de timp electronic cu circuitulintegrat tip TBA 315 N
Cap. V Aparateelectronice de măsurat de bord

5.1. Turometreşidwellmetreelectronice

5.1.1.Turometrusimplu, cu punteredresoare

5.1.2.Turometru cu o singurăgamă de măsură

5.1.3.Turometrutranzistorizat cu traductorinductiv

5.1.4.Turometre cu circuitulintegratE 555

5.1.5.Turometru cu cuplajdirect

5.2. Nivelmetrupentru carburant cu semnalizareoptică la atingereanivelului minim admisibil

5.3. Termometrupentruuleiul din motor

5.4. Accelerometru/decelerometru

5.5. Indicatoareelectronice de bord

5.5.1. Indicatoareoptice

5.5.1.1. Indicator cu 4 tranzistoareşi 3 becuri

5.5.1.2. Indicator cu 3 tranzistoareşi 3 diode electroluminescente

5.5.1.3. Indicator cu circuitulintegratspecializatU 1010 şi 3 diode electroluminescente

5.5.1.4. Indicatoare de siguranţeelectricedefecte (arse)

5.5.1.5. Indicator universal pentrucircuitelebecurilor

5.5.1.6. Indicator centralizatpentruluminile de poziţieşistop

5.5.1.7. Indicator cu tiristorpentruluminile de stop

5.5.1.8. Dispozitiv (cu saufără indicator) pentrucomutareaautomatăbecars/bec de rezervă

5.5.1.9. Indicator de apariţie a condiţiilor de polei

5.5.2.Indicatoareacustice

5.5.2.1. Indicatoaremonotonalepentrusemnalizatorul de direcţieşi/sau de avarie

5.5.2.2. Avertizormonotonal cu tranzistoare

5.5.3. Avertizoareoptice

5.5.3.1. Avertizorpulsatoriu cu bec, la 12 V

5.5.3.2. Avertizorpulsatoriu cu diode electroluminescente

5.5.3.3. Semnalizator de vitezămaximăadmisibilă

5.5.3.4. Semnalizator de nivel minim al lichidului de frână

5.5.3.5. Semnalizator de nivel minim al lichidului de răcire

5.5.3.6. Semnalizator de nivel minim al lichiduluipentruspălareaparbrizului
Cap. VI Sistemul de frânare cu ABS - mod de funcționare

6.1. De ce avem nevoie de ABS la automobile?

6.2. Principiul de funcționare al sistemului de frânare cu ABS pentru automobile

6.3. Componentele principale ale sistemului ABS pentru automobile
Cap. VII ESP - sistemul electronic de control al stabilității automobilului

Bibliografie

Introducere

În cele ce urmează vor fi prezentate cele mai reprezentative sisteme mecatronice, cu argumente, pentru fiecare caz în parte, legate de includerea în marea familie a sistemelor mecatronice (integrare spațială și funcțională, flexibilitate, inteligență) - componentele electrice și electronice (senzori, actuatori, circuite de putere), care servesc la achiziționarea de informații din proces și la comanda adecvată a unor mișcări ale elementelor sistemului mecanic/optic; sistemul de comandă centralizat/descentralizat, care asigură coordonarea întregului ansamblu și conferă gradul mai înalt sau mai scăzut de inteligență al sistemului mecatronic respectiv, se va sublinia și modul în care anumite funcțiuni mecanice sunt preluate de către electronică și software, simplificând foarte mult structura mecanică, modul în care construcțiile rigide, la care precizia este realizată prin toleranțe foarte strânse, pot fi înlocuite cu construcții elastice și ușoare, la care precizia este realizată prin măsurare și bucle de reacție, modul în care problemele de cablare, inerente unor sisteme cu atât de multe componente electrice și electronice, sunt rezolvate prin utilizarea unor magistrale și protocoale de comunicație adecvate (de exemplu, CAN Bus).

Cap. I Dispozitive electronice în instalaţia de alimentare cu energie electrică

a) Generatorul electric (în c.c. - dinamul sau, în c.a. - alternatorul cuplat la un redresor care transformă c.a. în c.c.).

Fig.1.1 Schema bloc a instalaţiei de alimentare cu energie electrică a automobilului Dacia 1300

Cele mai frecvent utilizate generatoare electrice de pe automobile sunt în prezent alternatoarele având, în general, indusul în stator şi inductorul în rotor (de obicei cu excitaţie electromagnetică). Pentru puteri debitate sub 500 W se utilizează alternatoare monofazate (cu 2 diode redresoare), iar pentru puteri de peste 500 W alternatoare trifazate (cu 6 diode redresoare în punte) având înfăşurările statorului conectate în stea (la puteri mici și medii) sau în triunghi (la puteri mari).

Diodele redresorului fiind dispozitive cu conducţie unidirecţională - evită descărcarea acumulatorului prin înfăşurările generatorului electric (cel care este conectat în paralel).

b) Releul regulator de tensiune (electric sau electronic) - având rolul de a stabiliza tensiunea electrică debitată de generator (în general prin reglarea excitaţiei acestuia), tensiune ce depinde atât de turaţia motorului (variabilă în limite largi), cât şi de numărul şi tipul receptoarelor conectate la un moment dat. Există două tipuri, principial diferite, de asemenea relee regulatoare de tensiune:

- relee electrice cu contacte vibratoare (având una sau două înfăşurări, respectiv două sau patru perechi de contacte incluse in circuite diferite) - au construcţia normală sau antiparazitată;

- relee electronice (cu dispozitive semiconductoare), în general fără contacte electromecanice (relee statice).

Releele electronice pot funcţiona la curenţi de excitaţie mai mari, nu necesită întreţinere (deci nu se dereglează şi nici nu se uzează mecanic), au un volum şi o greutate mai redusă etc. Dependenţa caracteristicilor funcţionale ale releului electronic de temperatura mediului ambiant poate fi minimizată printr-o ventilaţie corespunzătoare locului de amplasare a acestuia (în general lângă generator).

c) Bateria de acumulatoare (bateria sau acumulatorul) este formată din mai multe elemente (celule), conectate în serie, în paralel sau mixt.

Pe autovehicule se utilizează fie acumulatoare acide cu plăci de plumb (cele mai răspândite - întrucât pot alimenta un demaror - deşi au o rezistenţă mecanică şi o durată de funcţionare relativ scăzută), fie acumulatoare alcaline (echipând, în general, autovehiculele fără sistem electric de pornire (de exemplu, pe motociclete).

1. 
   Regulatoare electronice de tensiune
   

1.1.1. Regulatoare pentru tensiunea de 12 V
Regulator cu amplificator operaţional
Circuitul din fig.1.2 asigură menţinerea unei tensiuni de 14,1 V la bornele bateriei de acumulatoare (garantând o încărcare optimă a acesteia, atât vara, cât şi iarna) prin reglarea curentului din înfăşurarea de excitaţie a alternatorului.

Elementul de bază al schemei este amplificatorul operaţional A.O. conectat într-un circuit comparator-inversor.

Fig.1.2 Regulator electronic pentru tensiune de 12 V cu amplificator operaţional

Pe intrarea neinversoare a A.O. se aplică o tensiune de referinţă stabilIizată (6,2 V), iar pe intrarea sa inversoare o fracţiune din tensiunea de alimentare (14,1 V), reprezentând mărimea reglată. În funcţie de valoarea acestei fracţiuni (prereglabilă în anumite limite din potenţiometrul P), faţă de 6,2 V, la ieşirea A.O. se obţine o tensiune nulă sau pozitivă care comandă tranzistorul T₁, prin intermediul rezistenţei de limitare R₃.

Tranzistoarele T₁-T₂ în conexiunea Darlington, controlează curentul (de până la 5 A) al înfăşurăii de excitaţie a alternatorului. Dioda D protejează tranzistorului T₂ contra supratensiunilor care pot apare prin autoinducţie în această înfăşurare.

Termistorul Th compensează variaţia cu temperatura a performanţelor amplificatorului operaţional. Rezistenţa R₄ stabilizează curentul de emitor al T₁ la variaţia temperaturii.

Condensatoarele C₁-C₂, filtrează tensiunea de alimentare a regulatorului, astfel încât ondulaţiile acesteia să nu depăşească 2 mV vârf-vârf. Tranzistorul T₂ şi dioda D se vor monta pe câte un radiator din tablă de aluminiu.

Regulator cu amplificator diferenţial
Un circuit similar celui precedent este cel din fig.1.3, în care rolul amplificatorului operaţional este preluat de amplificatorul diferenţial T₁- T₂. Pe baza tranzistorului T se aplică o tensiune de referinţă stabilizată (de aproximativ 7 V) - obţinută cu dioda Zener DZ şi diodele D₁-D₂ (având rolul de a stabiliza suplimentar această tensiune la variaţia temperaturii).

Fig.1.3 Regulator electronic pentru tensiune de 12 V cu amplificator diferenţial

Pe baza tranzistorului T₂ se aplică o fracţiune din tensiunea de alimentare a regulatorului - prereglabilă cu ajutorul potenţiometrului P. Variaţia acestei fracţiuni în jurul valorii de 7 V (la care T₁ şi T₂ funcţionează echilibrat) determină şi modificarea curentului de colector al T_1, implicit a curentului de baza al T₂. Tranzistoarele T₃ şi T₄ amplificatoare de curent continuu - controlează curentul înfăşurării de excitaţie a alternatorului. Condensatoarele C₁ şi C₂ filtrează tensiunea de alimentare.

Prereglajul regulatorului se poate efectua alimentându-l de la o sursă de tensiune continuă (reglabilă până la 15 V), conectând în locul înfăşurării de excitaţie o rezistenţă de putere (25-50 ) în serie cu un ampermetru şi reglând potenţiometrul P astfel încât la o tensiune de alimentare de 14 V curentul de excitaţie să se întrerupă, iar la o tensiune de alimentare de 13,5 V, curentul de excitaţie să fie maxim. Tranzistorul T₄ necesită un radiator din tablă de aluminiu.

1.1.2. Convertoare curent continuu/curent continuu
Convertor 12 V c.c./9 V c.c.
Pentru alimentarea în automobil a unor aparate electronice portabile (radioreceptoare, casetofoane, etc.) din sistemul de alimentare al autovehiculului, este necesar un convertor c.c./c.c. care să transforme tensiunea continuă de 12 V într-una din tensiunile continue de alimentare uzuale ale unor astfel de aparate: 9 V, 7,5 V sau 6 V.

Fig.1.4 Convertor de tensiune 12V c.c./9V c.c.

(sau 12V c.c./7,5V c.c. sau 12V c.c./6V c.c.) – varianta I-a
Pentru că aceste valori ale tensiunii de ieşire sunt mai mici decât tensiunea de la intrare, convertorul poate avea schema din fig.1.4, care este un stabilizator clasic de tensiune cu element de reglaj serie (tranzistorul T) şi sursă de tensiune de referinţă (dioda Zener DZ). Tensiunea furnizată consumatorilor suplimentari va fi stabilizată în cazul existenţei unei fluctuaţii ale tensiunii la bordul automobilului. În funcţie de tensiunea şi curentul maxim necesar la ieşire, se aleg corespunzător rezistenţa R şi dioda Zener DZ.
Convertor 12 V c.c./9 V c.c.
Circuitul din fig.1.5 permite alimentarea la o tensiune continuă de 9 V - obţinută din tensiunea continuă de 12 V existentă la bordul automobilelor, a unor consumatori suplimentari.

Schema reprezintă un stabilizator clasic de tensiune continuă cu element de reglaj-serie (TJ) şi amplificator de eroare (T₂ şi T₃). Potenţiometrul P permite reglarea tensiunii de ieşire în jurul valorii de 9 V.

Pentru consumatorii uzuali (curent < 0,5 A), tranzistorul T₁ nu necesită radiator. Factorul relativ de stabilizare F_r obţinut cu acest circuit este foarte bun.

Fig.1.5 Convertor de tensiune 12V c.c./9V c.c. – varianta a II-a

1.1.3. Convertoare de curent continuu/ curent alternativ
Convertor 12 V c.c./220 V-50 Hz cu puterea de 30 W
Convertorul c.c./c.a. prezentat în fig.1.6 generează o tensiune alternativă de 220 V la 50 Hz (la o putere maximă de 30 W), fiind alimentat de la tensiunea continuă de 12 V.

Circuitul integrat CI₁ funcţionează ca multivibrator astabil producând o tensiune cvasidreptunghiulară, care se aplică circuitului integrat CI₂ (în tehnologie C-MOS) - mai precis, unuia din cele 2 circuite basculante bistabile tip D conţinute - având rolul de formator de impulsuri. Ieşirile în antifază ale acestui circuit comandă 2 perechi de tranzistoare în conexiune Darlington, formând un amplificator de putere în contratimp.

Transformatorul TR are: în primar - două înfăşurări de câte 9 V (din sârmă CuEm, cu diametrul de 0,45 mm), iar în secundar - o înfăşurare de 220 V (din sârmă CuEm, cu diametrul de 0,25 mm). Numărul spirelor fiecărei înfăşurări este determinat de miezul disponibil, astfel încât să se respecte raportul de transformare în tensiune indicat.

Fig.1.6 Convertor de tensiune 12 V c.c./220 V 50 Hz cu puterea de 30 W

Convertor 12 V c.c./220 V-50 Hz cu puterea de 500 W sau 1 000 W
Convertorul c.c./c.a. având schema de principiu reprezentată în fig.1.7, transformă tensiunea continuă de 12 V sau de 24 V într-o tensiune alternativă de 220 V (la 50 Hz), debitând o putere maximă relativ mare de 500 W sau 1 000 W.

Tranzistoarele T₀-T₀’ formează un oscilator simetric cu cuplaj inductiv generând o tensiune cvasidreptunghiulară cu frecvenţa de 50 Hz (ajustabilă în jurul acestei valori prin modificarea capacităţilor condensatoarelor C₁ şi C₂).

Tranzistoarele T₁, T₂ şi T₃ (+T₄, T₅ şi T₆ la 1 000 W), respectiv T₁’, T₂’ şi T₃’ (+T₄’, T₅’ şi T₆’ la 1 000 W) - în conexiune bază comună (BC) - reprezintă un amplificator de putere, în contratimp.

Principalii parametrii constructivi ai convertorului sunt prezentaţi în tabelul din fig.1.7. Transformatoarele necesită un număr dublu de spire în fiecare înfăşurare - la 1 000 W, comparativ cu 500 W. În scopul realizării unei simetrizări optime este recomandabil ca toate bobinajele să fie realizate bifilar.

Valoarea rezistenţei R₂ se alege la reglajul iniţial, astfel încât oscilatorul T₀-T₀’ să consume cât mai puţin şi să furnizeze un semnal cât mai dreptunghiular. Tranzistoarele trebuie să fie sortate în ceea ce priveşte factorul de amplificare în curent şi curentul rezidual (în limitele ± 2%). Suprafaţa minimă a radiatoarelor este de 150 cm².

Ca şi celelalte convertoare c.c./c.a. debitând 220 V - 50 Hz de la o tensiune continuă redusă şi acest convertor poate fi utilizat pentru alimentarea aparaturii electrocasnice şi electronice de larg consum din apartamente - de la un acumulator de automobil - în cazul întreruperii temporare a furnizării energiei electrice (din reţeaua de 220 V). În plus, acest ultim tip de convertor - de mare putere - poate fi utilizat şi în cadrul unor microhidrocentrale electrice echipate cu generatoare de 12 V sau 24 V.

Fig.1.7 Convertor de tensiune 12 V c.c./220 V 50 Hz cu puterea de 500 W sau 1 000 W

1.2. Sisteme electronice de aprindere prin scânteie a amestecului carburant
1.2.1. Dispozitive cu tranzistoare (,,aprindere cu contact’’)
În soluţia adoptării a aprinderii electronice cu tranzistor, s-a pornit de la sistemul clasic mecanic de aprindere, ajungându-se prin analogie la schema principială din fig.1.8.

Aşa cum rezultă din figură, tranzistorul preia funcţia ruptorului situat în primarul bobinei de inducţie (ruptorul continuând să rămână utilizat pentru comanda unor curenţi mai reduşi).

Pentru îndeplinirea funcţiei de ,,întreruptor’’ (închis/deschis), tranzistorul trebuie să fie comandat, funcţie asigurată de ruptorul deja existent în sistemul de aprindere (comandat la rândul său de axul cu came al motorului). Tranzistorul T are numai rolul preluării funcţiei de ,,putere’’ (închizând circuitul din înfăşurarea primară, prin care circulă un curent de ordinul amperilor). Când contactul ruptorului este închis, baza tranzistorului este astfel polarizată (prin R₁), încât acesta se deschide, conducând curentul din înfăşurarea primara a bobinei. La deschiderea contactului ruptorului, nemaifiind polarizat pe bază, tranzistorul se va bloca, astfel încât prin circuitul primar al bobinei de inducţie nu va mai circula curent. Tranzistorul devine astfel echivalent cu un întreruptor conectat în serie în circuitul bobinei.


Fig.1.8 Schema de principiu a unui dispozitiv de aprindere electronică echipat cu un tranzistor, având ruptorul sub tensiune
În fig.1.8: 1 – baterie de acumulatoare, 2 - contact de aprindere, 3 – rezistenţe adiţionale; 4 - contact de pornire, 5 – bobină de inducţie, L₁ – înfăşurarea primară, L₂ – înfăşurarea secundară; 6 – circuit electronic, R₁, R₂ – divizor de tensiune, T – tranzistor, 7 – contact de comandă, 8 – distribuitor, 9 – bujii.
1.2.2. Dispozitive cu tiristoare (,,aprinderea prin descărcare capacitivă’’)
Un convertor c.c./c.c. echipat cu tranzistoarele T₁, T₂ (fig.1.9), ridică tensiunea de 12 V, la aproximativ 400 ... 600 V, tensiune ce este utilizată pentru încărcarea unui condensator (C₂) cu o constantă de timp independentă de turaţia motorului.


Fig.1.9 Dispozitiv de aprindere electronică cu tiristor şi descărcare capacitivă
Cu fiecare deschidere a contactului, prin tranzistorul de comandă T₃, tiristorul intră în stare de conducţie, producând descărcarea energiei acumulate de condensatorul C, în circuitul înfăşurării primare a bobinei de inducţie. Bobina comportându-se ca un transformator ridicător de tensiune, transmite întreaga energie scânteii de aprindere.

Pentru acest dispozitiv tensiunea înaltă este de 38 kV, la o turaţie a motorului de 50 rot/min, pentru o tensiune a bateriei de acumulatoare de 12,5 V.

Dispozitivul de aprindere electronică cu tiristor (produs de ITT) din fig.1.10 are un condensator tampon C_1, care se încarcă de această dată numai cu un singur impuls. Tranzistorul T₁ lucrează într-un circuit de oscilator autoblocat. Când contactul ruptorului se închide, în colectorul lui T₁ apare o modificare de tensiune (prin D₃, C₄) în sens negativ, tensiune care declanşează monostabilul echipat cu T₁. În transformatorul monostabilului se va înmagazina o energie care se eliberează în momentul încetării funcţionării monostabilului. În înfăşurarea n₃ va apare o tensiune de 300 V care, redresată de D₄ şi D₅ se va aplica condensatorului tampon C₁.

Fig.1.10 Dispozitiv de aprindere electronică cu tiristor (varianta a II-a)

În momentul în care contactul ruptorului se deschide, în poarta tiristorului apare un impuls pozitiv şi tiristorul intră în conducţic. Condensatorul C₁ se descarcă oscilant prin înfăşurarea primară a bobinei de inducţie; oscilaţia durează numai o singură perioadă, datorită diodei conectate paralel D₁.

Circuitul prezentat asigură o frecvenţă de aprindere de până la 300 Hz, ceea ce reprezintă o turaţie maximă de cca. 9 000 rot/min. De asemenea, se asigură o pornire certă pe timpul anotimpului rece, putând funcţiona într-un domeniu larg al tensiunii bateriei de acumulatoare (6,5 ... 16 V).