Аннотация

Данная работа имеет своей целью выяснить способность применения знаний и навыков выпускника вуза квалификации инженера при решении конкретных научно технических и производственных задач, развив способности самостоятельной инженерной работы в ее логической последовательности на примере проектирования (Система управления фотохромными стеклами для автомобиля ВАЗ 2170 «Приора»).

Расчетно-пояснительная записка содержит вводную часть, исследование уровня развития и технического применения фотохромных стекол, техническое описание разрабатываемого устройства, расчетно-конструкторскую часть, заключение и библиографию.

Графический материал содержит: общий вид зеркала заднего вида, регулировочную характеристику, функциональную и электрическую принципиальную схемы системы управления; печатную плату схемы управления; сборочный чертеж схемы управления;.

Дипломный проект состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка содержит листов. Графическая часть содержит 8 листов формата А1

Введение

Тема данной дипломной работы – Проектирование системы управления фотохромными стеклами для автомобиля ВАЗ 2170 «Приора», объединяет в себе несколько перспективных на сегодняшний день векторов научных разработок в мире.

Системы управления вошли в нашу жизнь не так давно и уже прочно обосновались во всех сферах человеческой деятельности. Их развитие происходит очень быстро и прорывные технологии, все чаще, начинают применяться не только на производстве или в военной индустрии, но и у нас дома, в нашем автомобиле, в нас самих. Главная задача – сделать жизнь более безопасной и комфортной. Конечно же, все эти технические новинки действуют самостоятельно, вмешательство человека в их работу, если оно вообще требуется, минимально.

Одно из перспективнейших направлений разработок, связанных с повышением комфортности жизни – работа с освещением и воздействием света на человека. Круг вопросов здесь необычайно широк: световые режимы помещений, всевозможное использование солнечного света, как для экономии энергии так и для создания благоприятной среды для человека, развитие технологий световых ламп и т.д. Все чаще окно, витраж или стеклянная панель становятся «интеллектуальной» частью сооружения или устройства, в составе которого они были спроектированы. Сегодня одной из таких «интеллектуальных» технологий использования стекол являются фотохромные стекла. Это общий термин, который включает в себя несколько понятий: электрохромное стекло, смарт – стекло и непосредственно фотохромное стекло. В данной работе речь пойдет об одной разновидности фотохромных стекол - об электрохромном стекле. Сегодня эта технология применяется для повышения эргономичности помещений, но она нашла свое место и в автомобилестроении.

При проектировании автомобиля очень важную роль играет безопасность и комфорт водителя. Проектируемая в данной дипломной работе система управления предназначена для защиты водителя от ослепления. Всем, кто находился за рулем в темное время суток знакомо неприятное ощущение от яркого света фар попутных автомобилей, отражающегося в зеркале заднего вида, и, «бьющего» по глазам, и конечно свет фар встречных автомобилей! Даже днем человек может быть ослеплен ярким светом. Огромную опасность таит в себе ослепление за рулем при движении. На скорости в 100 км/ч за 1 секунду автомобиль проходит около 30 метров. А на сколько секунд Вас ослепило – дело случая. По сей день, мы знали такие меры защиты как козырьки или тонирование стекол, но сегодня такую функцию может «взять на себя» специальная система управления.

В будущем на стекла автомобиля будут возлагаться все новые и новые функции, которые сделают поездку на авто более безопасной и комфортной, уже сейчас ведутся разработки ветрового стекла, которое обозначало бы края дороги, дорожные знаки, опасные участки при ограниченной видимости.

Сколько еще возможностей открывает нам проектирование интеллектуальных стекол в электрооборудовании автомобиля?

Содержание

Введение
1 Анализ схем управления фотохромными стеклами Применение фотохромных стекол Назаначение устройства Обзор существующих конструкций Постановка цели и задачи дипломного проекта
Разработка функциональной схемы стенда 2.1 Назначение и составляющие системы управления
3 Разработка принципиальной схемы системы управления
4 Расчет элементов принципиальной схемы
5 Разработка конструкции системы управления в зеркале заднего вида
6 Технология изготовления печатных плат и корпусов из пластика Заключение Библиография
Раздел 1 Аналитический обзор

В данном разделе производится аналитический обзор существующих конструкций. Рассматриваются виды фотохромных стекол. В конце раздела ставятся цель и задачи дипломного проекта.

1 Анализ развития и применения фотохромных стекол

1.1 Применение фотохромных стекол

Заявленная тема исследований и разработок является, бесспорно, актуальной. Можно ожидать, что химия проводящих полимерных соединений в ближайшем будущем даст миру принципиально новые промышленные каталитические, электронные и оптоэлектронные системы. Полимеры - материалы, обладающие хорошими электроизоляционными свойствами. Именно это достоинство полимерных материалов определило сферу их использования.

Первый опыт использования полимеров при создании проводящих материалов — токопроводящие компаунды. Компаунды изготавливались из нержавеющей стали, углерода, углеродного волокна и термопластичных полимеров — полипропилена (рис. 1, 2) , поливинилхлорида, акрилонитрил бутадиен стирола. Такие тандемы использовали довольно широко в радио и иной электронике с целью защиты от электростатических разрядов, радио и электромагнитных помех.

Рисунок 1.1 – Слоистая структура сферолитового полипропилена. Размер скана 850x850 нм

Рисунок 1.2 – Сферолитовый полипропилен. Размер скана 70x70 мкм

Два последних десятилетия перевернули представления о полимерах. Проводящие полимеры — совмещение несовместного. А поскольку этот материал искусственный, его открытие не могло быть случайным. Фактически ученым удалось предсказать, какой должна быть молекула полимера, чтобы он мог проводить электричество — молекула проводящего полимера должна состоять из атомов углерода, соединенных по очереди одинарными и двойными химическими связями. Еще в ней должны быть так называемые «потенциально заряженные группы». Если внедрить в такую молекулу функциональную группу, легко «отдающую» электрон, то в полимерном материале будут образовываться многочисленные свободные носители электрического заряда. Полимер становится проводящим: электрический ток течет через него также легко, как через традиционно используемые для этих целей металлы. Новые материалы подразделяют на виды:

1. Твердые полимерные электролиты (полимеры с ионной проводимостью).

2. Полимеры с электронной проводимостью.

2.1. Редокс-полимеры (рисунок 3) — соединения, где перенос электрона происходит в основном благодаря процессу окислительно-восстановительных реакций между соседними фрагментами полимерной цепи.

2.2. «Проводящие полимеры», или органические металлы, то есть полимеры, проводимость которых по механизму близка к электропроводности металлов.

Рисунок 1.3 – Полипирроловые стержни в металлических ячейках

(увеличение — 20 000 раз)

Редокс-полимеры, так называемые металлокомплексные соединения, получают в основном в процессе электрохимической полимеризации исходных мономерных комплексных соединений (и плоскоквадратной, и октаэдрической конфигурации). Значительный минус редокс-полимеров в том, что их проводимость намного ниже, чем у органических металлов. Объясняется это рядом факторов, в том числе ограниченностью скоростей редокс-реакций. Впрочем, этот минус окупается заметными плюсами.

В числе достоинств редокс-полимеров следующие моменты:

• эти материалы имеют большие возможности (в сравнении с органическими соединениями) для управления их свойствами за счет варьирования природы (электронной структуры) металлического центра. Таким образом, появляются новые возможности для управления оптическими свойствами полимеров с помощью электрического управляющего сигнала;

• ряд редокс-полимеров — аналоги незаменимых природных ферментов — биокатализаторов, например, пероксидазы и оксигеназы. Возможно, что это свойство позволит ученым создавать новые полимерные электрокаталитические системы, которые будут характеризоваться высокой степенью эффективности и селективности.

Пионером среди проводящих полимеров стал полиацетилен. Тогда оно было похоже на серебристые твердые пленки. Первый синтезированный полиацетилен оказался непригодным для последующей переработки и был нестабилен на воздухе. Впоследствии были созданы полимеры с внутренней проводимостью. Они отличались от предшественника полиацетилена тем, что были устойчивы на воздухе, их стало можно перерабатывать, комбинировать с другими полимерными материалами для получения соединения с требуемой проводимостью. Полимерные материалы с внутренней проводимостью можно использовать в самых разнообразных модификациях — как волокна, пленки, в порошкообразном виде. Несколько иной способ получения проводящих полимеров — электрохимическое окисление мономеров на поверхности инертного электрода. Пиррол подвергался электрохимическому окислению в ацетонитрильном растворе, в который добавили перхлорат тетрабутиламмония с целью сделать его электропроводящим. Интересно, что проводящий полимер можно вернуть в исконное непроводящее состояние. Для этого достаточно лишь поменять потенциал электрода. Специалисты называют проводящее состояние «окисленным», а непроводящее — «восстановленным». Переход из первого во второе осуществляется с выходом зарядкомпенсирующих противоионов из полимера в раствор электролита, в котором проводится процесс. При обратном процессе — они, напротив, переходят из раствора в полимер.

Пленки из проводящих полимерных материалов имеют свойство менять оптические параметры (например, цвет) в зависимости от уровня окисления. Человек научился к XXI веку этими оптическими параметрами управлять, в частности при регулировании уровня окисления — потенциалом электрода, на поверхность которого нанесен проводящий полимерный слой, изменение потенциала происходит при подаче электросигнала. В этом случае наблюдается электрохромный эффект, при котором редоксполимеры при переходе из окисленного в восстановленное состояние изменяют свой цвет с темнозеленого, оранжевого, красно-коричневого, синего (в зависимости от природы металлического центра и лигандного окружения) на желтый различных оттенков. Кроме того, электрохромные полимеры наносят с помощью электрополимеризации на так называемые прозрачные электроды, представляющие собой кварцевые пластины с напыленным слоем прозрачных электропроводных оксидов олова и индия. С использованием данной технологии создаются электрохромные системы, которые находят широкое применение в затворных и фильтрующих оптических устройствах, а также в производстве цветных дисплеев.

"Электрохромная" (electrochromic) технология в самое ближайшее время добавится ко всему разнообразию технологий производства ЖК-дисплеев. Вариант электрохромной технологии отображения информации, разрабатываемый Ntera, называют в компании "нанохромным дисплеем" (Nanochromics Display, NCD, рис. 4). Как обычно водится в таких случаях, новая технология задолго до ее коммерциализации рекламируется как решение, имеющее "наиболее высокие оптические характеристики, а также низкую себестоимость по сравнению с нынешними и новыми технологиями производства ЖК-дисплеев".

Рисунок 1.4 – Nanochromics Display, структурная схема

Насколько можно понять суть по описаниям, выложенным на сайте компании, технология NCD основана на использовании полупроводниковых метал-оксидных носителей с нанесением мономолекулярных пленок на основе электрохромного материала виологена. Чтобы не запутывать читателя заумными терминами, приведу определение парочки из них для лучшего понимания сути технологии. Под электрохромным (электрохроматическим) процессом ученые подразумевают способность различных материалов менять свой цвет в зависимости от приложенного электрического потенциала. Самый простой и доступный пример, иллюстрирующий электрохромный процесс - это зеркала или окна с так называемым антибликовым или непрозрачным эффектом.

В случае с NCD дисплеями, виологен (viologen, комплексное органическое соединение) как вид покрытия с нанопористой структурой для катода из оксида титана выбран для достижения длительного времени хранения заряда и, соответственно, достижения экономии энергопотребления. В результате появилась возможность производить NCD модули с белым фоном, высокой контрастностью - уровня чернил на бумаге, что вчетверо (по заявлению Ntera) лучше контрастности современных ЖК-дисплеев. При этом, за счет применения электрохимически инертных присадок в электролите удалось добиться очень высокой длительности хранения заряда катода, за счет чего управляющее напряжение потенциалом в 1 В на практике подается лишь в момент смены изображения. По утверждению руководства Ntera первыми на рынке появятся экраны с низким разрешением для часов, инструментальных дисплеев и т.п. Попутно Ntera намерена начать лицензирование своей технологии крупным "стратегическим партнерам" - производителям дисплеев для ноутбуков, PDA и электронных книг, список которых пока не разглашается.

Следует также отметить, что через пару лет традиционные стеклянные и пластиковые окна заменят жидкокристаллические конструкции, способные самостоятельно регулировать температуру и степень освещения в помещениях.

По разным данным, в ближайшие 20 лет расход электричества только в США увеличится на 45 %, а природного газа — на 62 %. Энергоснабжение не сможет в полной мере удовлетворять нужды населения, а полноценное отопление станет для американцев дорогостоящей роскошью — как, скажем, в Израиле или Британии.

В то время как одни пытаются создать экзотичные энергономичные двигатели на воздухе или мыле в ожидании топливного кризиса, другие решили применить свой изобретательский талант для разработки тривиальных окон. Не окон Гейтса, а обычных, квартирных. Дом остаётся незыблемой ценностью, несмотря на самые немыслимые технологические прорывы и космические "одиссеи".

Рисунок 1.5 – Технология в действии

Казалось бы, что нового можно здесь придумать? Новейшие полимерные технологии сделали рамы и сами стеклопакеты вполне надёжными и максимально сохраняющими тепло, и единственный упрёк, который раздаётся в адрес самых распространённых на сегодняшний день окон — это выделение ими вредного поливинилхлорида.

Однако в настоящее время ведутся разработки около 20 разновидностей оконных стёкол: стёкол — теплоколлекторов, гидрофобных стекол (для окон небоскрёбов, которые трудно мыть), греющихся оконных стёкол, теплоотражающих стёкол (напыление наносится изнутри, чтобы сохранить тепло в помещении).

Кроме того, улучшаются экспериментальные модели стеклопакетов: вакуумных (минимализирующих теплопотери), с тепловым зеркалом, со специальным прозрачным теплопроводимым гелем.

Группой исследователей Research Frontiersсозданы окна, в которых используются особые микрочастицы, предоставляющие более широкий диапазон освещения (рисунок 1.5). Окна-"хамелеоны" регулируются электрическим зарядом. Регулировка осуществляется устройством наподобие электрореле.

В новых окнах используется уникальная технология светопоглощающих микроскопических частиц, которые можно назвать "световые затворы". Миллионы этих частиц помещены между прозрачными плоскостями, и имеют возможность свободного перемещения.

Покрытие, которое, наподобие пленки, помещено с одной стороны поверх этих частиц, является проводником, и когда электрический ток подведён к конструкции, микрочастицы организуются таким образом, что свет беспрепятственно проникает сквозь устройство. И, напротив, отсутствие тока "дезорганизует" частицы, и окно становится непроницаемым. Процесс "затемнения" после отключения тока длится дольше, чем процесс "осветления".

Технология может использоваться не только для окон, но и для горнолыжных очков, автомобильных зеркал и так далее.

По мнению разработчиков, единственные их конкуренты, экспериментирующие в области стекольных "наполнителей" — производители жидкокристаллических и электрохромных окон.

Жидкокристаллические мониторы, в которых электрический импульс регулирует видимое человеческим глазом изображение и, в частности, цифры, на сегодняшний день широко используются в быту: в портативных и "полноформатных" компьютерах, в калькуляторах и часах.

Аналогичным образом жидкие кристаллы, регулируемые электричеством, используются и в оконных стёклах. К их недостаткам относят невозможность создания промежуточного освещения: либо слепит глаза — либо "выколи глаз".

Существующие ныне жидкокристаллические оконные стёкла считаются одними из наиболее "приватных", так как допускают режим "молочно-матового освещения", когда создаётся комфортная для человека иллюзия густого тумана в солнечный день.

Особенность же электрохромного окна заключается в том, что оно должно быть многослойным: стекло (пластик), затем оксидовый материал-проводник, оксид вольфрама, второй проводник-электролит, ионовый слой, второй оксидовый материал-проводник и, наконец, второе стекло (пластик).

"Густота" освещения и светопроницаемость зависит от поведения ионового слоя, который, собственно, и подвергается воздействию электричества. К достоинствам этих окон относят и то, что они помогают сохранить до 50% энергии, идущей на поддержание определенного температурного режима в помещении и делают ненужными защитные пленки на компьютерных мониторах.

Рисунок 1.6 – Внутреннее устройство ЖК-окон

Электрохромные окна настолько перспективны, что, по прогнозам Министерства Энергетики США, промышленный выпуск большеформатных электрохромных стекол начнётся с 2011 года, причём их цена не будет превышать при массовом производстве $15-20 за 1 квадратный метр.

Рисунок 1.7 – Электрохромное зеркало в светлом состоянии	Рисунок 1.8 – Электрохромное зеркало в затемненном состоянии

В любом случае, Лаборатория имени Лоуренса Беркли Калифорнийского Университета, Министерство Энергетики США, Национальный совет по оценке светопрозрачных ограждений и Международное агентство по экономии США обещают поставить году на поток такую разновидность окон, которое будет сочетать все новейшие технологии.

1.2 Назначение устройства

Под термином "система остекления автомобилей" сегодня понимают комплекс деталей и устройств автомобиля, объединенных общим назначением - обеспечить водителю визуальную информацию о ситуации на дороге, функциональными признаками - передача и обработка оптической информации, и конструктивно-технологическими особенностями - изготавливаются на основе стекла или других светопроницаемых или отражающих материалов. Поэтому к системе остекления относят не только остекление салона автомобиля, но и зеркала заднего вида, оптические элементы фар и устройств световой индикации, люки, оптику автомобильных приборов и системы видеонаблюдения.

Электрохромные зеркала (стекла) - это регулируемый тип стекла, который получается с помощью магнетронного напыления в вакууме (рисунок 9). Он заключается в том, что покрытие получается путем бомбардировки тяжелыми ионами мишени (основания, на которое наносится покрытие). Покрытия, нанесенные таким образом, хорошо отражают ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, что позволяет применять их в автомобильной промышленности, в которой важны температурные режимы работы.

Рисунок 1.9 – Схема магнетронного напыления в вакууме

Электрохромные зеркала применяют в качестве зеркал заднего вида в автомобилях для избежания ослепления водителей отраженным светом ночью. Профессор Нью-Йоркского университета Алан Льюис (Lewis) подробно исследовал так называемый Трокслер-эффект, возникающий при ослеплении ярким светом. Как выяснилось, кроме кратковременной потери зрения, увеличивается и время реакции водителя, вплоть до 1,4 с. За такое время на скорости 100 км/ч автомобиль проходит около 40 м! Стоит потратить силы и средства на решение проблемы.

Так появились автоматически темнеющие зеркала NVS (Night Vision Safety). Прозрачностью стекла командует контроллер, сравнивающий сигналы от двух фотодатчиков. Первый, направленный вперед, измеряет общую освещенность, второй, глядя назад, ловит лучи фар едущих за вами автомобилей. Слишком большая разница между показаниями датчиков (спереди темно, сзади ярко) говорит об опасности ослепления. Тут же выдается команда затемнить стекла зеркал.

Ранние варианты были устроены аналогично жидкокристаллическим дисплеям калькуляторов: между двумя стеклянными пластинами заключен тонкий слой жидкости, которая меняет коэффициент поглощения света под воздействием приложенного электрического напряжения. Недостаток – уменьшается быстродействие при низких температурах (впрочем, такие зеркала имеют, как правило, подогрев).

Второй вариант, более современный, использует эффект обратимого изменения светопропускания (рисунок 1.10). Его демонстрируют пленки окислов ряда металлов (в частности, вольфрам, точнее, WO3), которые наносят непосредственно на стекло. Зеркало получается однослойным, не боится холода и к тому же потребляет ток лишь в моменты переключения. Хотя, конечно, для автомобильной энергетики нет особой разницы между милли- и микроваттами. Такие зеркала получили название электрохромных и сегодня применяются на автомобилях многих марок.

1 – Стекло,

2 – слой жидких кристаллов,

3 – прозрачные электроды,

4 – светоотражающий слой.

Рисунок 1.10 – Строение темнеющего жидкокристаллического зеркала

При подаче на стекла напряжения 2-10 В они изменяют светопропускание и пропускание тепловой части солнечной энергии от 100 до 4%. Электрохромные стекла чрезвычайно эффективны в южных регионах и в зданиях, где установлены системы кондиционирования воздуха. По данным фирмы SAGE (США), которая является одним из лидеров в этой области, в настоящее время имеется возможность изготовления электрохромных стекол размером до 1,2х1,8 м, при этом к сегодняшнему дню окна с подобными стеклами нормально работают и после 80 000 циклов включений-выключений электрохромного эффекта. По прогнозам Министерства Энергетики США промышленный выпуск большеформатных электрохромных стекол будет постоянно возрастать, при этом их цена не должна превышать при массовом производстве 15-20 долларов за 1 м².

1.3. Обзор существующих конструкций

Сварка.

Автоматически затемняемый светофильтр предназначен для защиты глаз сварщика от светового излучения в видимой части спектра: затемнение усиливается автоматически при начале сварки, что позволяет легко контролировать начало сварки без опасности ослепить глаза («поймать зайчика», как говорят сварщики)

Светофильтр изготовлен по принципу «слоёного пирога», где несколько слоев жидких кристаллов находятся между поляризационными пленками. Под напряжением жидкие кристаллы «выстраиваются» в определенном направлении, таким образом блокируя часть поляризованного света:

Рисунок 1.11 – Строение светофильтра

Следует также заметить, что наибольшую опасность при дуговой сварке составляют невидимое излучение в ультрафиолетовом и инфракрасном спектре. Даже неисправный светофильтр – «хамелеон» обеспечивает постоянную защиту от этих излучений благодаря постоянному УФ, ИК фильтру (защита основана на частичном отражении УФ, ИК лучей специальным слоем – фильтром).

Источником питания для схемы управления светофильтра могут служить заменяемые батареи (обычно литиевые элементы – «таблетки») и/или солнечные батареи.

Все современные хамелеоны обеспечивают время срабатывания меньше 0.001 секунды, что достаточно для гарантированной защиты глаз.

Архитектура

Сегодня окна рассматриваются не только как инженерные и архитектурные элементы здания, но также как высокоразвитые «живые» элементы системы климатизации здания, гибко реагирующие на состояние окружающей среды. В недалеком будущем окно станет важнейшим элементом биоархитектуры, способным использовать энергию солнца, ветра, воздуха и т. д.

Наиболее многообещающие технологии интеллектуальных окон в XXI веке основаны на электрохромных покрытиях. Хотя они еще не поступили в серийное производство, велика вероятность сделать эту технологию высокопроизводительной, рентабельной, с широким освоением современного рынка.

Исследования в области электрохромных технологий проводятся уже более 20 лет во всем мире и привели к разработке и демонстрации прототипов новых окон. Прототипы электрохромных окон были продемонстрированы во многих зданиях в Японии, а затем в Европе и США. Миллионы небольших электрохромных зеркал уже используются в качестве зеркал заднего вида в легковых и грузовых автомобилях. Электрохромные стекла исследуются также в качестве опытных образцов для автомобильных солнечных люков. Прежде чем такие люки поступят в серийное производство, они должны пройти целый ряд испытаний для подтверждения их долговечности.

 В отличии от термохромных и фотохромных покрытий, электрохромные окна обладают плавной регулировкой. В термохромных и фотохромных окнах должна быть заданная точка переключения, после которой они изменяют состояние. Хотя такую пороговую величину можно задавать, но после ее фиксации она остается постоянной на весь срок службы окна. Динамическая регулировка при электрохромной технологии осуществляется при помощи контроллера (или ручного сигнала) с использованием простого термостата или фотодатчика.

Первоначальные исследования показывают, что интеллектуальные окна несут существенную выгоду для общественных зданий с точки зрения экономии, т. к. расходы на освещение и охлаждение составляют значительную часть общих эксплуатационных расходов. Расширяя использование дневного освещения и снижая  нагрузку по холоду, интеллектуальные окна не только снижают годовые  расходы энергии, но также позволяют уменьшить расходы на пиковую электрическую нагрузку и снизить максимальную мощность холодильного оборудования.

Электрохромные покрытия близки к стадии серийного производства. Первая полномасштабная демонстрация электрохромных окон была проведена в Оклэнде, штат Калифорния. На двух офисных зданиях, расположенных рядом, были установлены 10 электрохромных  панелей в полностью остекленные фасады. Самая большая из них  была размером 3 на 6 футов. Панели были подключены к фотодатчикам и регулируемому люминесцентному освещению. Они работали таким образом, чтобы пропускать максимальное количество дневного света (T_v = 38 %) при повышенной облачности, и минимальное при преобладании солнечной погоды (T_v = 11 %). Люди, находящиеся в зданиях, могли по желанию перейти с автоматического на ручное управление. Первая краткосрочная демонстрация подтвердила способность интеллектуальных окон обеспечивать энергосбережение, при этом повышая уровень комфорта в помещениях.

Многие из этих преимуществ применимы и для жилых зданий, особенно в условиях экстремального климата. В принципе, большую часть преимуществ интеллектуальных окон можно реализовать при переменном использовании  технологий ручного и автоматического управления. Для  практического использования она должна включать в себя фотодатчик на самом изделии, связь с системой управления всем зданием и/или ручное дистанционное управление, похожее на пульт от телевизора. Но опыт показывает, что люди часто закрывают занавески и регулируют жалюзи непоследовательно и непредсказуемо, что входит в противоречие с автоматическим управлением, увеличивая затраты на него. Сделав оба средства управления интегрированной и надежной частью здания, интеллектуальные окна превратят потенциальное энергосбережение  в предсказуемое и гарантированное.

Дополнительные демонстрации прототипов электрохромных окон уже запланированы, и первые окна для  использования скоро будут доступны.

Как и с любыми новыми технологиями, первоначальное внедрение будет происходить медленно, пока производители, монтажники и домовладельцы приобретут необходимый опыт. Первые изделия, скорее всего, найдут свое применение в застекленных крышах.  Эти новые интеллектуальные окна  значительно расширят функциональность домов XXI века.

Автоэлектроника

Противоослепляющие свойства оптических элементов обеспечиваются в основном тремя способами.

а- положение"день", б- положение"ночь", 1- кронштейн, 2- рычаг переключения положений, 3- отражающий слой, 4- наружная поверхность стекла.

Рисунок 1.12 – Зеркало с клиновым оптическим элементом

Использование клинового оптического элемента (во внутрисалонных зеркалах). Отражающий слой наносится на тыльную сторону стекла, поверхности которого образуют некоторый угол. Корпус зеркала имеет механизм, позволяющий, не нарушая общей регулировки, фиксировать оптический элемент в двух положениях: "день" и "ночь". Днём водитель наблюдает отражение от зеркального слоя, а ночью (в противоослепляющем положении) — слабое от наружной поверхности стекла. В положении "ночь" более яркое отражение от зеркального слоя проецируется мимо глаз водителя. Переключение чаще всего выполняет сам водитель. В некоторых конструкциях смена положений осуществляется автоматически электроприводом по сигналу фотодатчиков (измерителей освещённости).

Применение материалов с переменной прозрачностью. Оптический элемент таких зеркал состоит из жидкокристаллического материала, заключенного между двумя слоями стекла. Кроме того, зеркало имеет фотодатчики и электронную схему управления. В нормальных условиях жидкокристаллический слой отражает большую часть падающего света. При ослепляющем свете по сигналу датчиков схема управления подает на жидкие кристаллы электрический ток, изменяя прозрачность слоя. При этом коэффициент отражения падает, и яркость отраженного зеркалом света уменьшается.

Бывают также зеркала, изготовленные на основе фотохромных стёкол. Такие стёкла уменьшают свою прозрачность под действием яркого света, что снижает ослепление водителя.

Противоослепляющее действие этих зеркал основано на способности некоторых жидких кристаллов изменять свою прозрачность под действием электрического поля. Такое зеркало обычно состоит из двух параллельных стеклянных пластин с прозрачными электродами. Между пластинами помещается слой жидких кристаллов, на корпусе зеркала устанавливаются фотоэлементы, контролирующие общую освещенность и наличие ослепляющего источника, а внутри корпуса - электронное устройство, управляющее жидкими кристаллами. В обыкновенном состоянии слой жидких кристаллов непрозрачен и отражает свет с максимальной эффективностью. При обнаружении ослепляющего света на электроды подается необходимое электрическое напряжение, изменяющее ориентацию жидкого кристалла. При этом жидкий кристалл становится частично прозрачным, и часть света проходит сквозь зеркало. Интенсивность отраженного света уменьшается, и зрение водителя оказывается надежно защищенным. Управляя напряжением на электродах, отражающую способность такого зеркала можно поддерживать на максимально допустимом уровне, обеспечивая, тем самым, минимальные потери информации об обстановке позади автомобиля.

1- стекла; 2- прозрачные электроды; 3- слой жидких кристаллов; 4- измеритель яркости слепящего света; 5- электронная схема управления; 6- прошедшая сквозь жидкие кристаллы часть света; 7- измеритель окружающей освещенности;8- отраженная часть света.

Рисунок 1.13 Противоослепляющее зеркало на основе жидких кристаллов.

Аналогично устроены электрохромные зеркала. Только в этих зеркалах между стеклянными пластинами находится жидкий или твердый электролит, прозрачный в обычном состоянии и темнеющий под действием электрического тока, а внутренняя пластина имеет металлический слой с высоким коэффициентом отражения. При обнаружении опасности ослепления к жидкости подводится электрический ток, жидкость темнеет и поглощает часть света. Тем самым создается защита от ослепления. Однако, наибольшее распространение получили противоослепляющие зеркала на основе твердого электрохромного материала - оксида вольфрама. В конструкции таких зеркал нет жидкостей. Кроме того, электрическое питание требуется таким зеркалам лишь на короткое время - для переключения. Поэтому, зеркала на основе твердых электрохромных пленок следует считать более надежными и экономичными.

1.11 Постановка цели и задач дипломного проекта

В данном дипломном проекте рассматривается один из видов фотохромного стекла – электрохромное стекло. По сравнению со стеклами , рассмотренными выше, такое стекло обладает следующими преимуществами:

- при подаче на стекла напряжения 0-3,5 В они изменяют светопропускание и пропускание тепловой части солнечной энергии от 100 до 5%.;

- электрохромные стекла нормально работают и после 80 000 циклов включений-выключений электрохромного эффекта;

- напряжение необходимо только в момент переключения уровня светопропускания;

- при отсутствии питания стекло становится максимально прозрачным;

Таким образом, целью дипломного проекта является разработка системы управления фотохромными стеклами .

Задачами проекта являются:

- разработка функциональной схемы системы управления;

- разработка принципиальной схемы системы управления;

- расчет и подбор элементов схемы;

Таким образом, в данном разделе был проведен аналитический обзор фотохромных стекол . По результатам обзора были поставлены цель и задачи дипломного проекта.

Раздел 2

Конструкторская часть

В данном разделе разрабатываются функциональная и электрическая принципиальная схемы системы управления, также производится подбор и расчет элементов схемы .

2. Разработка функциональной схемы стенда.

2. 1 Назначение и составляющие системы управления.

Система управления фотохромными стеклами предназначена для управления затемнением лобового стекла и зеркала заднего вида, для защиты водителя от ослепления фарами встречных и попутных автомобилей или любых других источников света достаточных для ослепления водителя.

Для фиксации освещения, попадающего на лобовое необходим датчик освещения. В качестве датчика освещения можно использовать фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор и т. д. В качестве фоточувствительного элемента я выбрал фотодиод, так как он по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами имеет более высокое быстродействие и хорошую чувствительность.

Чтобы сигнал с фоточувствительного элемента стал достаточным по величине для работы элементов схемы необходим усилитель сигнала фотодиода. В качестве усилителя входного сигнала я выбрал операционный усилитель благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости.

Для того, чтобы определенному световому потоку, попадающему на лобовое стекло, соответствовал определенный уровень затемнения необходимо сравнивающее устройство, в качестве сравнивающего устройства я выбрал компаратор напряжения, т. к. они имеют высокую чувствительность, сравнительно низкий потребляемый ток и способность сравнивать входные сигналы, по напряжению близкие к нулевому уровню.

Регулятор напряжения необходим для подачи определенного напряжения на стекло, в зависимости от того какие компараторы открыты.

Для работы элементов необходим источник питания. Я выбрал стабилизатор напряжения на 5 вольт т.к. многие элементы электроники питаются от 5 вольт.

Все перечисленные компоненты и устройства объединяем в функциональную схему, показанную на рисунке 2. 1.

Фотодиод HL1 фиксирует освещение, попадающее на лобовое стекло, и, в зависимости от величины освещения, изменяет напряжение на выходе

от 0 до 0,5 В.

Усилитель усиливает сигнал фотодиода с коэффициентом 10, чтобы он стал достаточным по величине для работы элементов схемы.

Рисунок 2. 1 – Функциональная схема системы управления фотохромными стеклами

По разработанной функциональной схеме стенда составляем принципиальную электрическую схему системы управления фотохромными стеклами, приведенную на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема системы управления

Система управления функционально состоит из следующих блоков: схема обработки сигналов, в которую входят фотодиод, усилитель; схема регулятора напряжения, в которую входит компаратор напряжения, герконовое реле, транзистор, резисторы ; источник питания 5В.

Фотодиод выбираем марки BPW21R чувствительными к свету в видимом человеческому глазу диапазоне со следующими характеристиками:

• длина волны 560 нм;

• диапазон волн 420 - 565 нм;

• максимальный темновой ток коллектора 30 мА;

• диапазон рабочих температур -55 … +125 ºС;

• площадь чувствительного элемента 7,5 мм²;

• материал кремний;

• максимальная рабочая частота 80 кГц;

• выходное напряжение при освещении 5000Лм – 0,5 В.

Рисунок 3.2 фотодиод BPW21R

В качестве усилителя сигнала с фотодиода DA1 выбираем одноканальный усилитель LMC7101, при включении вместе с резиcтором R1 и конденсатором C3 коэффициент усиления равен 10.

Рисунок 3.3 - Назначение выводов усилителя 1040УД1: 1- OUT- выход усилителя; 2- (V+) - положительное напряжение питания; (V-) – земля (GND); (IN+) – неинвертирующий вход; (IN-) – инвертирующий вход;

4 Расчет элементов принципиальной схемы

4.1 Расчет резисторов

Для того чтобы каждый компаратор срабатывал при определенном напряжении с фотодиода необходимо рассчитать резистивный делитель напряжения для каждого компаратора.

При помощи регулировочной характеристики и зависимости светопропускаемости стекла от подаваемого напряжения выбираем уровни затемненности стекла.

Рисунок 3.4 – Регулировочная характеристика

Рисунок 3.5 – Зависимость сетопропускания (absorptance) cтекла от подаваемого напряжения (applied voltage)

Необходимо рассчитать резисторы делителя напряжения для трех компораторов.

1. Для компаратора DA4:

Напряжение источника питания: ;

Необходимое выходное напряжение: ;

Один из резисторов выбираем произвольно: R7=100 Oм, а второй резистор R4 считаем по формуле:

(2.1);

Находим токи протекающие в резисторах по закону Ома:

(2.2);

Чтобы подобрать резистор по мощности необходимо рассчитать мощность рассеиваемую на резисторе:

(2.3)

Выбираем резисторы из номинального ряда по сопротивлению и мощности:

для R7 выбираем резистор С2-33 0,1 Вт, сопротивление 100 Ом, допустимое отклонение: 5%

для R4 выбираем резистор р1-8-0,1-178 Ом 2%

2. Для компаратора DA3:

Напряжение источника питания: ;

Необходимое выходное напряжение: ;

Один из резисторов выбираем произвольно: R6=200 Oм, а второй резистор R3 рассчитаем по формуле:

Находим токи протекающие в резисторах по закону Ома:

Чтобы подобрать резистор по мощности необходимо рассчитать мощность рассеиваемую на резисторе:

Выбираем резисторы из номинального ряда по сопротивлению и мощности:

для R6 выбираем резистор CF-100 (С1-4) 1 Вт, 200 Ом, 5%

для R3 выбираем резистор CF-100 (С1-4) 1 Вт, 62 Ом, 5%

3. Для компаратора DA2:

Напряжение источника питания: ;

Необходимое выходное напряжение: ;

Один из резисторов выбираем произвольно: R5=1000 Oм, а второй резистор R2 рассчитаем по формуле:

Находим токи протекающие в резисторах по закону Ома:

Чтобы подобрать резистор по мощности необходимо рассчитать мощность рассеиваемую на резисторе:

Выбираем резисторы из номинального ряда по сопротивлению и мощности:

для R5 выбираем резистор CF-100 (С1-4) 1 Вт, 1 кОм, 5%

для R2 выбираем резистор MF-1Bт-43 Ом+5%

Рассчитаем резисторы R8, R9, R10 по закону Ома и второму закону Кирхгофа.

Рассчитаем резистор R8 так, чтобы на стекле было напряжение 3,5 вольт .

Сопротивление стекла Rн = 25 Ом.

Ток на стекле при напряжении 3,5 вольт:

(2.4);

Рассчитаем резистор R9 так, чтобы на стекле было напряжение 1,7 вольт .

Сопротивление стекла Rн = 25 Ом.

Ток на стекле при напряжении 1,7 вольт:

Падение напряжения на резисторе R8 при токе на стекле 0,068А

(2.8);

Рассчитаем резистор R так, чтобы на стекле было напряжение 0,9 вольт .

Сопротивление стекла Rн = 25 Ом.

Ток на стекле при напряжении 0,9 вольт:

Падение напряжения на резисторе R8 и R9 при cиле тока на стекле 0,036А

Выбираем резисторы R8, R9, R10 по сопротивлению из номинального ряда:

для R8 выбираем резистор С1-4 1Вт , 11Ом,5%;

для R9 выбираем резистор С2-33 1Вт, 39 Ом, 1%;

для R10 выбираем резистор KNP 1Вт, 33Ом, 5%;

4.3 Расчет источника стабилизированного напряжения

Стабилизатор напряжения построен на микросхеме DD9 КР1170ЕН5. Данная микросхема позволяет создавать стабилизированные цепи для питания устройств построенных на основе КМОП микросхем, а также аналоговых приборов. При этом источник питания при заданной надежности имеет низкую стоимость. Характеристики микросхемы представлены в таблице 4. 1.

Все параметры приведены при Vin=12В, I_out=500mA, 0°C<T_j<125°C, C_in=0.33 мФ, C_out=0.1мФ, если не оговорено другое.

Таблица 4.1

Характеристики микросхемы КР1170ЕН5

Наименование	Обозначение	Условия измерения			Тип.		Макс.		Единица измерения
Выходное напряжение	Vout	Tj=25°C			5.0		5.1		B
		7B<Vin<20B 5mA<Iout<1.0A Pt<15Вт			-		5.25		B
Нестабильность по входному напряжению	Vo line	Tj=25°C	7B<Vin<25B	3		100		mB
			8B<Vin<12B	1		50		mB
Нестабильность по току нагрузки	Vo load	Tj=25°C	5mA<Iout<1.5A	15		100		mB
			250mA< Iout<750mA	5		50		mB
Ток покоя	Iq	Tj=25°C,Iout=0			4.2		8.0		mA
Нестабильность тока покоя	Iq	7B<Vin<25B			-		1.3		mA
		5mA<Iout<1.0A			-		0.5		mA
Выходное напряжение шума	Vn	Ta=25°C, 10Гц<f<100кГц			40		-		mkB
Коэффициент подавления пульсации	Rrej	f=120Гц			78		-		дБ
Падение напряжения	Vdrop	Iout=1.0A, Tj=25°C			2.0		-		B
Выходное сопротивление	Rout	f=1 кГц			17		-		мОм
Ток КЗ	Ios	Tj=25°C			750		-		mA
Максимальный выходной ток	Io peak	Tj=25°C			2.2		-		A

Характеристики выбранной микросхемы полностью удовлетворяют требованиям использования ее в рассчитываемой схеме.

Схема стабилизатора напряжения представлена на рисунке 4. 1.

Рисунок 4. 1 – Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения рассчитан на входное напряжение бортсети 12…18 В, при этом на его выходе поддерживается постоянное стабилизированное напряжение 5 В, необходимое для работы всей схемы прибора.

Схема изображенная на рисунке 4. 1 рекомендована заводом изготовителем.

Согласно ТУ на ИМС КР1170ЕН5 выбираем элементы обвязки, а именно гашения высокочастотных помех.

В качестве конденсаторов выбираем:

С3 – «TEAPO» 10 мкФ 63 В ± 5%;

С4 – 0805 X7R 0,1 мкФ 50В ± 5%.

4.4 Расчет выходных транзисторов

Резисторы R10 и R28 выполняют роль электрохромных элементов. R10 – ветрового стекла, R28 – зеркала заднего вида. Зададимся их параметрами: токопотребление P = 5Вт/м² , примем площадь ветрового стекла равную 1 м², площадь зеркала заднего вида 0,05 м² напряжение U = +5В.

P = U²/R, R = U²/P, R10 = 5 Ом. (1)

Ток протекающий через R10:

P = I²/R, I² = P∙R, I1 = 1 А. (2)

Расчет резистора R28 и тока протекающего через него проводим аналогично. Получаем R28 = 100 Ом, I2 = 0,05 А.

R10 - C2-8-0,125-5± 5%.

R28 - C2-8-0,125-100± 5%.

VT1, VT2 - IRG4BC15UD.

Экспериментально установлена зависимость тока коллектора от частоты базы при P = 5 Вт в случае транзистора VT1 и Р = 0,25 Вт в случае транзистора VT2. Зависимость тока коллектора от частоты базы представлена в таблице 4.2

Таблица 4.2 – Зависимость тока коллектора от частоты базы

VT1		VT2
Iкэ, А	f, кГц	Iкэ, А	f, кГц
0,04	48	0,002	400
0,3	35	0,015	350
0,3	35	0,015	275
0,46	27	0,023	200
0,6	20	0,03	150
0,8	10	0,04	100
1	1	0,05	500
0,04	50	0,002	440
0,12	44	0,006	380
0,24	38	0,012	320
0,36	32	0,018	260
0,48	26	0,024	200
0,6	20	0,03	140
0,72	14	0,036	130
0,84	8	0,042	120
0,96	2	0,048	100

5 Разработка конструкции системы управления в зеркале заднего вида

Если рассматривать радиоэлектронную и электротехническую аппаратуру как законченное изделие, то выбор конструкции корпусов должен отвечать следующим требованиям:

1. Должная защита оборудования от воздействий окружающей среды.

2. Удовлетворение существующим требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС).

3. Обеспечение конкурентоспособного внешнего вида. Перед конструкторами при проектировании корпусов всегда стоит задача оптимизации эргономических показателей и цены. Сейчас большинство производителей радиоэлектронной аппаратуры (особенно в области приборостроения) выпускают оборудование мелкими сериями, не превышающими нескольких десятков или сотен штук. Для мелкосерийного производства во всем мире принято считать, что корпус может обходиться в 10–15% от конечной стоимости изделия, при повышенных требованиях эта величина растет (например, для герметичных прочных корпусов), при минимальных требованиях – снижается. Такое нормирование цены позволяет разработчику быстро оценить, сколько в его распоряжении денег на покупку готового корпуса. Иногда стоимость корпуса растет вследствие необходимости иметь хороший дизайн, а дизайн – это фактически главное, на что смотрит заказчик. Хороший внешний вид аппаратуры в конкурентной борьбе – это один из серьезных факторов, определяющих иногда мнение потребителя наравне с ценой. У отечественных конструкторов нет времени на организацию производства приемлемых по качеству корпусов, поэтому аппаратура проигрывает в дизайне перед импортными аналогами.

Система управления затемнением состоит из печатной платы, на которую монтируются радиоэлементы. Для правильной работы она должна располагаться в зеркале заднего вида.

От размеров платы зависят габаритные размеры корпуса, в который будет монтироваться система. Плата показана на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 – Печатная плата

Плата имеет размеры 124 мм в длину и 75 мм в ширину, крепится на приливах основания корпуса, имеющих отверстия для саморезов. Приливы подняты над плоскостью основания на 4 мм, это обеспечит необходимый зазор между корпусом и выводами элементов на печатной плате. Изменение этого зазора возможно при монтаже радиоэлементов на печатную плату и обрезке их выводов на стороне пайки.

Крышка корпуса служит для защиты электронной части изделия от внешних воздействий, которые могли бы помешать нормальной работе устройства. В корпусе выполнены 2 отверстия для монтажа фотодиодов. Фотодиод показан на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Фотодиод

Конструктивно корпус представляет собой сборочную единицу, состоящую из основания и крышки. Основание служит для установки платы. Основание и крышка скрепляются тремя защелками. Внешний вид зеркала с вмонтированной в него системой управления показан на рисунке 5.3

Корпус изготавливается из пластмассы без последующей покраски. Использование пластмасс с пигментным наполнителем значительно удешевляет производство и соответственно обеспечивает минимальную себестоимость изделия. При этом цвет корпуса может быть практически любым.

Рисунок 5.3 - Внешний вид зеркала заднего вида

Сборка происходит в следующем порядке:

1. в специальные отверстия устанавливаются фотодиоды,

2. на саморезы прикручивается плата,

3. соединяются крышка и основание корпуса.

Фотодиод подключается к плате посредством контактов 3, 4, 5, 6 XP1. Плата подключается к бортсети посредством контакта 1 XP1.

Габаритные размеры зеркала заднего вида представлены на рисунке 5.4

Рисунок 5.4 – Габаритные размеры зеркала заднего вида

Таким образом, в данном разделе были проведены разработки функциональной и принципиальных схем, проведен расчет и подбор элементов схемы, построена регулировочная характеристика.