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Elektrik / Elektronik Sensoren & Aktoren

AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland 1/16 L:\Kurse\ab 2012\AM 3.2\1 Theorien\2014.02_AM_EL_Sensoren_Aktoren.docx 26.04.2017

Bildquelle:Hella

Sensoren & Aktoren

Grundlagen



INHALTSVERZEICHNIS

SENSOREN ......................................................................................................................................... 3

Drosselklappenschalter ........................................................................................................................................... 4

Potentiometer .......................................................................................................................................................... 4

Temperaturfühler ..................................................................................................................................................... 5

Winkelsensoren ....................................................................................................................................................... 6

Ultraschallsensoren ................................................................................................................................................. 7

Drehratensensor ...................................................................................................................................................... 8

Beschleunigungssensoren ...................................................................................................................................... 8

Gassensoren ........................................................................................................................................................... 9

Optische Sensoren ................................................................................................................................................ 10

Kraftsensor ............................................................................................................................................................ 10

Ölsensor................................................................................................................................................................. 11

AKTOREN ......................................................................................................................................... 12

Grundlagen ............................................................................................................................................................ 12

Massesteuerung / Plussteuerung .......................................................................................................................... 13

Steuerung über Tastverhältnis .............................................................................................................................. 14

Polaritätssteuerung / Schrittmotoren ..................................................................................................................... 14

Piezoelektrische Steuerung ................................................................................................................................... 15

Gesteuerte Leistungsendstufe ............................................................................................................................... 15

PRÜFMÖGLICHKEITEN ................................................................................................................... 16

Vorgehensweise bei der Fehlersuche ................................................................................................................... 16

Prüfmöglichkeiten .................................................................................................................................................. 16

Wichtige Hinweise im Umgang mit elektronischen Systemen ............................................................................... 16



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.



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.

Funktion überprüfen

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. Funktion überprüfen

Potentiometer kann mit Motorentester im Ist-Wert überprüft werden.

Spannungsversorgung zwischen Pin 4 und Masse prüfen.



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.



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



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. 0.25 bis 1.5 Meter.

Anwendungen

Parksensoren

Innenraumüberwachung bei Alarmanlagen



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)



Drehratensensor

Dieser Sensor arbeiten entweder piezo-elektrisch 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.



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 piezo- elektrischen seismischen Körper.

Anwendung

Auslösung von Airbags, Gurtstraffern oder Überrollbügel.



Aktueller Zustand, Signal kann unter Istwert geprüft werden.

Achtung Bei Arbeiten an Airbag und Gurtstraffsystemen müssen die Herstellerangaben beachtet werden.



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.



Aktueller Zustand kann unter Istwert geprüft werden.

Sensor kann mit Kältespray oder mit Bremsreiniger besprüht werden, wobei sich anschliessend der Istwert verändern muss.



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)



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.



Aktueller Zustand, kann unter Istwert geprüft werden.



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.



Es können verschiedene Istwerte wie Öltemperatur, Ölstand, Ölzustand abgefragt werden.



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 Anwendungsbereich Temperatur PTC Heizung, Thermostatsteuerung Position Stellungen Drosselklappe, Fenster, AGR-Ventil, Lüftungsklappe Motordrehzahl Regelung der Motordrehzahl von Elektromotoren Spannung Zündspule, Hybridmotor Druck Kraftstoffdruck, Ladedruck, Druck Lenkunterstützung Licht Halogenlampen, LED’s, Xenonlampen Durchflussmenge 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).



Massesteuerung / Plussteuerung

Ein Verbraucher kann sowohl spannungsseitig als auch masseseitig angesteuert werden.

Bildquelle: www.zawn.be

massegesteuertes Magnetventil plusgesteuerte Glühlampe

Beispiele:

Relais, Glühlampen, Ventile…


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



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 Pulsweiten-modulation (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 Schrittmotor

Beispiele:

Fensterhebermotoren, Drosselklappensteller, Schrittmotoren wie Leuchtweitenregulierung, Luft-klappenverstellung…



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…



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 Eingangs-

signale 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. : Sichtkontrolle (Dichtheit) hören & fühlen (Funktion)

Diodenlampe: parallel zum Aktuator anschliessen um die Steuerung zu überprüfen

Multimeter: Spannungsversorgung prüfen, Widerstandswerte z.B. Spulenwiderstand

Diagnosegerät: Stellgliedtest, Istwerte, Grundeinstellungen, geführte Fehlersuche

Oszilloskop: 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: www.busching.de

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