Elektrik / Elektronik Sensoren & Aktoren. Bildquelle:Hella. Sensoren & Aktoren. Grundlagen. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 1/16

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1 Bildquelle:Hella Sensoren & Aktoren Grundlagen AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 1/16

2 INHALTSVERZEICHNIS SENSOREN... 3 Drosselklappenschalter... 4 Potentiometer... 4 Temperaturfühler... 5 Winkelsensoren... 6 Ultraschallsensoren... 7 Drehratensensor... 8 Beschleunigungssensoren... 8 Gassensoren... 9 Optische Sensoren Kraftsensor Ölsensor AKTOREN Grundlagen Massesteuerung / Plussteuerung Steuerung über Tastverhältnis Polaritätssteuerung / Schrittmotoren Piezoelektrische Steuerung Gesteuerte Leistungsendstufe PRÜFMÖGLICHKEITEN Vorgehensweise bei der Fehlersuche Prüfmöglichkeiten Wichtige Hinweise im Umgang mit elektronischen Systemen AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 2/16

3 Sensoren Aufgaben Für elektronisch geregelten Systemen die Betriebszustände zu erfassen und sie in elektrische Signalgrössen umzuwandeln. Einteilung: Wir unterscheiden nach Aufgaben: Ermittlung von Drehzahlen, Temperaturen, Drücken. Art des Ausgangssignals, analog, binär, digital. Kennlinienart, stetig linear, stetig nicht linear, nicht stetig. Physikalischer Wirkungsweise, induktiv, kapazitiv, optisch, thermisch. Anzahl der Integrationsstufen. Aktiv oder passiv. Integrationsstufe Darunter versteht man, dass mehrere Schritte, die bis zur Verwertung des Signals im Steuergerät notwendig sind, bereits innerhalb des Sensorgehäuses durchgeführt werden. Achtung: Sensoren der 2. und 3. Integrationsstufe können mit herkömmlichen Werkstattmitteln wie Multimeter oder Oszilloskop nicht mehr überprüft werden. Die Prüfung erfolgt in der Regel mit dem Motortester im Menü Stellgliedtest durch Ansteuerung. Wenn die Ansteuerung nicht klappt müssen die Sensoren geprüft werden. Anschliessend sind die Kabelverbindungen auszumessen. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 3/16

4 Drosselklappenschalter Aufgabe: Erkennung mit welcher Last der Motor betrieben wird. (Bei älteren Fahrzeugen) Schalter geöffnet, zeigt das Voltmeter eine Spannung von ca. 5 Volt an. Schalter geschlossen sinkt die Spannung auf 0 Volt. Schalter kann mit Motorentester im Ist- Wert überprüft werden. Spannung an Pin 5 prüfen Potentiometer Sie werden verwendet um dem Steuergerät die Winkelstellungen oder Positionen von Wellen oder Klappen zu signalisieren. Beispiel: In Ruhestellung ligt an Pin 3 eine Spannung von ca. 4.5 Volt an. Wird die Welle bis zum Anschlag bewegt nimmt die Ausgangsspannung bis auf 0.7 Volt ab. Potentiometer kann mit Motorentester im Ist-Wert überprüft werden. Spannungsversorgung zwischen Pin 4 und Masse prüfen. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 4/16

5 Temperaturfühler Sie werden eingesetzt, um Temperaturen elektronisch zu erfassen. Im Fahrzeug finden wir sie als Motor-, Luft_ oder Kraftstofftemperaturfühler. Im Sensorgehäuse ist ein Messwiderstand aus Halbleitermaterial untergebracht. Dabei handelt es sich um ein NTC- Widerstand. Analog zum Widerstand wird der Spannungsabfall am NTC mit zunehmender Temperatur kleiner. Er kann mit einem Multimeter überprüft werden. Soll anstelle des Spannungsabfalls der Widerstand gemessen werden, muss die Steckverbindung zum Steuergerät getrennt werden. Temperaturfühler kann mit Motorentester im Istwerte überprüft werden. Istwert im Steuergerät prüfen: (Stecker abgesteckt: ca. -40 C, Stecker überbrückt ca. 140 C) Spannungsversorgung zwischen Pin 5 und Masse prüfen. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 5/16

6 Winkelsensoren Sie werden eingesetzt, um den Verdrehwinkel von Wellen zu bestimmen. Dazu wird meist das Hall- Prinzip verwendet. Eine oder mehrere Hall IC sind so angebracht, dass sie bei der Drehung der Welle von entsprechenden Magnetfeldern durchdrungen werden. Aus den erzeugten Hall- Spannungen berechnet der im Sensor integrierte Mikroprozessor den Drehwinkel und bereitet das Signal für die Übergabe an den CAN- Bus auf. Anwendungen Fahrpedalgeber von Motronic- Anlagen. Lenkwinkelsensoren für das ESP. Achssensoren für die dynamische Leuchtweitenregelung. Signal kann im Istwert der Steuergeräte geprüft werden. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Signalspannung des Sensors mit dem Multimeter prüfen AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 6/16

7 Ultraschallsensoren Mit ihrer Hilfe sollen Abstände zu Hindernissen und Räumen überwacht werden. Ein Sensor besteht aus einer Sende- Empfangseinheit, die Ultraschalwellen aussenden und die reflektierten Wellen wieder empfängt. Sensoren in der Stossstange überwachen das Fahrzeug ca bis 1.5 Meter. Anwendungen Parksensoren Innenraumüberwachung bei Alarmanlagen Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Die Sensoren können unter Istwerte geprüft werden, in der Regel kann bei jedem Sensor der Abstand zum Hindernis geprüft werden. Sensoren können zum Teil auch angelernt werden (z.b. Anhängerbetrieb) AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 7/16

8 Drehratensensor Dieser Sensor arbeiten entweder piezoelektrisch oder kapazitiv. Sie dienen dazu, die Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Hochachse zu bestimmen. Die Sensoren sind in der Lage, die bei Kurvenfahrt oder Schleudern auftretenden Giermomente zu erfassen. Anwendung Giersensor für das ESP und das Navigationssystem. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Aktueller Zustand, Signal kann unter Istwert geprüft werden. Beschleunigungssensoren Sie sollen die Beschleunigung beim Aufprall eines Fahrzeuges erfassen und über das Steuergerät die Insassenrückhaltesysteme auslösen. Dazu wird eine seismische Masse beim Aufprall verschoben, wodurch sich eine kapazitive Änderung ergibt. Diese wird von der Auswertelektronik verstärkt, gefiltert und für die Verarbeitung im Steuergerät digitalisiert. Andere Bauarten nutzen einen einseitigen eingespannten piezoelektrischen seismischen Körper. Anwendung Auslösung von Airbags, Gurtstraffern oder Überrollbügel. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Aktueller Zustand, Signal kann unter Istwert geprüft werden. Achtung Bei Arbeiten an Airbag und Gurtstraffsystemen müssen die Herstellerangaben beachtet werden. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 8/16

9 Gassensoren Mit ihrer Hilfe sollen NOx-, CO-Konzentrationen und die Luftfeuchtigkeit überwacht werden. Sie bestehen aus Dickschichtwiderständen, die Zinnoxid enthalten. Lagern sich die zu messenden Stoffe reversibel an ändern sich die Widerstände. Anwendung Überwachung der Feuchtigkeit und der Luftgüte in Klimaanlagen. NOx- Sensor bei Fahrzeugen mit Benzin- Direkteinspritzung. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Aktueller Zustand kann unter Istwert geprüft werden. Sensor kann mit Kältespray oder mit Bremsreiniger besprüht werden, wobei sich anschliessend der Istwert verändern muss. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 9/16

10 Optische Sensoren Sie bestehen aus Leuchtdioden, die Licht aussenden und Fotodioden, die Licht empfangen. Aufgrund veränderter Reflexion erkennt das Steuergerät durch verringerten Lichtempfang der Fotodioden eine Verschmutzung der der Scheinwerfer, Glasbruch oder Regentropfen auf der Windschutzscheibe. Anwendung Regensensor zur automatischen Betätigung der Scheibenwischer. Schmutzsensor zur automatischen Reinigung der Abdeckscheibe bei Xenonscheinwerfer. Lichtsensoren oder Sonneneinstrahlungssensoren (Klimaanlage) Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Aktueller Zustand, kann unter Istwert geprüft werden. Regensensor: Sensor kann mit Wasser besprüht werden. Lichtsensor: mit Taschenlampe Kraftsensor Druckabhängige Widerstandselemente werden zu einer Sensormatte verbunden. Aus der Druckverteilung auf der Matte kann das Steuergerät Gewicht, Position und Bewegung des Insassen berechnen und die Rückhaltesysteme im Fahrzeug bei Bedarf richtig auslösen. Anwendung Damit bilden diese Sensoren die Grundlage für eine intelligente Airbagauslösung. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Aktueller Zustand, kann unter Istwert geprüft werden. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 10/16

11 Ölsensor Der Sensor ist in der Lage Qualität und Temperatur als auch Menge des vorhandenen Motorenöl zu erfassen. Neben der üblichen Temperaturmessung durch NTC wird dazu die Leitfähigkeit des Motorenöls ausgewertet. Dadurch kann der technische Zustand des Fahrzeugs überwacht werden. Anwendung Damit wurde die Einführung flexibler Serviceintervallen möglich. Spannungsversorgung mit Multimeter prüfen Es können verschiedene Istwerte wie Öltemperatur, Ölstand, Ölzustand abgefragt werden. AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 11/16

12 Aktoren Grundlagen Aktoren oder auch Aktuatoren sind Bauteile die von einem Steuergerät aktiviert werden. Die Aktivierung erfolgt durch einen Mikroprozessor, der die Endstufe ansteuert. Endstufen schließen den elektrischen Stromkreis zwischen Spannungsversorgung und Aktuator. Diese elektrische Energie wird in eine physikalische Grösse umgewandelt (Bewegung, Druck, Temperatur, Bewegung, Drehmoment, Licht, ). Grössen Temperatur Position Motordrehzahl Spannung Druck Licht Durchflussmenge Anwendungsbereich PTC Heizung, Thermostatsteuerung Stellungen Drosselklappe, Fenster, AGR-Ventil, Lüftungsklappe Regelung der Motordrehzahl von Elektromotoren Zündspule, Hybridmotor Kraftstoffdruck, Ladedruck, Druck Lenkunterstützung Halogenlampen, LED s, Xenonlampen Einspritzmenge, Luftmenge Endstufen Die meisten Aktuatoren werden über eine Leistungsendstufe angesteuert. Das Ausgangssignal der CPU (Mikroprozessor) wird durch einen Leistungstransistor (Endstufe) verstärkt. Intelligente Aktuatoren Der intelligente Aktuator oder Smart-Aktuator besitzt einen Mikroprozessor welcher die Regelung des Ausgangssignals des Aktuators vornimmt. Beispielsweise die automatische Fensterbedienung mit Tief- und Hochlaufsteuerung sowie Einklemmschutz, der Kühlerlüfter, der variable Turbolader mit elektrischer Ansteuerung, Spannungsversorgung der Aktuatoren Zur einwandfreien Funktion benötigen die Steuergeräte und deren Peripherie (Sensoren/Aktoren) eine Spannungsversorgung. Sie erfolgt über Klemme 15 oder Klemme 30. In der Regel werden die Aktuatoren mit Bordspannung (12 V) angesteuert, jedoch kann sie ausnahmsweise auch höher oder tiefer sein, wie beispielsweise bei Xenonlampen (z.b. 85 V AC) oder Pulsweitenmoduliert PWM (z.b. Keramikglühkerzen mit 5-7V). AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 12/16

13 Massesteuerung / Plussteuerung Ein Verbraucher kann sowohl spannungsseitig als auch masseseitig angesteuert werden. Bildquelle: massegesteuertes Magnetventil plusgesteuerte Glühlampe Beispiele: Relais, Glühlampen, Ventile Bildquelle: Hinweise Bei einigen Herstellern werden gewisse Lampen mit einem Tastverhältnis angesteuert, wodurch nur der Mittelwert der Spannung an der Glühlampe anliegt. Die Lampe leuchtet weniger hell. Bei steigendem Einsatz von MOSFET-Transistoren, werden jedoch immer öfter spannungsseitige Ansteuerungen eingesetzt, da diese Transistoren vor Kurzschlüssen geschützt sind AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 13/16

14 Steuerung über Tastverhältnis Gesteuerte Magnetventile wandeln elektrische Signale in einen Steuerdruck um. Diese Art von Aktuatoren werden als Dreiwegeventil verwendet, um einen Druck/Unterdruck an einem Ventil zu regeln. Neben dem Steueranschluss besitzen diese Ventile auch eine Versorgungsleitung (Druck oder Unterdruck) und eine Ventilbelüftung. Mit Hilfe des Steuerdrucks werden mechanische Stellglieder entsprechend den Anforderungen verstellt. Diese Steuerungsmethode nennt sich Pulsweitenmodulation (PWM). Der Wert der Pulsweitenmodulation (PWM) wird in Prozent angegeben. Dieser Wert gibt an, wie viel Prozent der Zeit die Spannung eingeschaltet ist. Beispiele: AGR-Ventil, Ladedruckregelung, Kraftstoffregelventil Polaritätssteuerung / Schrittmotoren Wenn der Strom in beiden Richtungen durch den Aktuator fliessen können muss, wie bei Stellmotoren, sorgt das Steuergerät für die Umpolung. In diesem Fall müssen beide Anschlüsse mit der Leistungsendstufe verbunden sein. (oder 4 Anschlüsse bei Schrittmotoren) Polaritätssteuerung Bildquelle: Schrittmotor Beispiele: Fensterhebermotoren, Drosselklappensteller, Schrittmotoren wie Leuchtweitenregulierung, Luftklappenverstellung AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 14/16

15 Piezoelektrische Steuerung Werden Piezokristalle unter Druck gesetzt, geben sie eine elektrische Spannung ab. Umgekehrt dehnen sich die Kristalle aus, sobald sie unter Spannung gesetzt werden. Beispiele: Piezo Injektoren Hinweis: Die Steckverbindung bei einem Piezo-Injektor darf nie bei laufendem Motor abgezogen werden. Sonst riskiert man eine viel zu lange Öffnungszeit welche zu einem Motorschaden führen könnte. Gesteuerte Leistungsendstufe Heutzutage verwendet man in der Regel keine Vorschaltwiderstände mehr um die Geschwindigkeit eines Lüftermotors zu regeln. Der Lüfter wird durch eine Leistungsendstufe gesteuert. (z.b. Lüftersteuergerät) Diese Endstufe regelt den Strom zum Lüfter, so dass dieser stufenlos seine Geschwindigkeit verändern kann. Beispiele: Lüftersteuerung, Vorglühanlage, PTC Zuheizer Bildquelle: AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 15/16

16 Prüfmöglichkeiten Vorgehensweise bei der Fehlersuche 1. Zuerst das entsprechende Stellglied prüfen, bei fehlendem/fehlerhaften Signal, muss das Ausgangssignal direkt am Steuergerät geprüft werden. 2. Bei korrektem Ausgangssignal ist die Verkabelung zum Stellglied zu prüfen. 3. Bei fehlendem/falschem Ausgangssignal sind anschliessend die entsprechenden Eingangssignale zu prüfen. 4. Bei fehlendem/falschem Eingangssignal ist das Signal am Sensor selbst zu prüfen. 5. Ist das Sensorsignal in Ordnung, prüft man die Leitungen zum Steuergerät auf Durchgang und gegen Masse (Kurzschluss). 6. Wird am Sensor auch kein korrektes Signal ausgegeben, liegt die Ursache am Sensor selbst oder der Sensor wird durch andere nicht korrekt funktionierende Bauteile beeinflusst. 7. Wichtig ist aber auch die Spannungsversorgung und Masseverbindung des Steuergerätes sowie die Spannungsversorgung der Sensoren und Aktoren zu überprüfen. Da ein falscher Spannungswert die Eingangs- und Ausgangssignale verfälschen kann. 8. Sollte die obenerwähnten Punkte kein Resultat ergeben, ist die Peripherie soweit in Ordnung und der Fehler könnte am Steuergerät liegen, aber Achtung die häufigsten Fehler entstehen durch schlechte Kontakte an den Steckverbindungen. Prüfmöglichkeiten Mechanische kontr. : Diodenlampe: Multimeter: Diagnosegerät: Oszilloskop: Sichtkontrolle (Dichtheit) hören & fühlen (Funktion) parallel zum Aktuator anschliessen um die Steuerung zu überprüfen Spannungsversorgung prüfen, Widerstandswerte z.b. Spulenwiderstand Stellgliedtest, Istwerte, Grundeinstellungen, geführte Fehlersuche Die Ein- und Ausschaltphase muss sichtbar sein. Signalform kontr. Wichtige Hinweise im Umgang mit elektronischen Systemen Bei eingeschalteter Zündung sind keine Steckverbindungen zu trennen oder Stecker von Modulen abzuziehen, dieses gilt ebenfalls für das Aufstecken und Verbinden von Steckern, da dadurch Spannungsspitzen entstehen können, die die elektronischen Bauteile zerstören können. Widerstandsmessungen an Sensoren und Aktoren nur bei abgezogenem Stecker durchführen, da innere Schaltkreise der Steuergeräte beschädigt werden können. Das Messen des Spannungsabfalls ist einer Widerstandsmessung vorzuziehen. Die Messung ist genauer und kann bei angeschlossenem Stecker geprüft werden. Kontaktschwierigkeiten können so besser festgestellt werden. (feine Prüfspitzen verwenden, nicht in Kabel stechen!) Bildquelle: AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 16/16