You dont have javascript enabled! Please enable it!

Aanstuurmethodes actuatoren

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Aansturing van een actuator door een relais, transistor en FET
  • Aansturing van een actuator door een ECU

Inleiding:
In moderne motorvoertuigen zijn er tientallen besturingsapparaten die verantwoordelijk zijn voor de werking van zowel de verbrandings- als de elektromotor, evenals voor de comfort- en veiligheidsfuncties. Deze besturingsapparaten zijn uitgerust met software die de signalen van sensoren verwerkt en op basis daarvan bepaalt welke actuatoren moeten worden aangestuurd. Op de pagina “Interfaceschakelingen” wordt dieper ingegaan op het proces waarbij de ingangs- en uitgangssignalen door de ECU (control unit) worden verwerkt.

In de volgende afbeelding zien we in het midden de motormanagement-ECU, met links de sensoren en rechts de actuatoren.

  • Sensoren zenden een spanning met een lage stroomsterkte naar de ECU. De hoogte van de spanning (variërend van 0 tot 5 of 14 volt), de frequentie (toerental) of de pulsbreedte van een PWM-signaal voorzien de ECU van invoer over de gemeten waarde van de sensor.
  • Bij actuatoren gaat het meer om de stroomsterkte dan om de spanning. Hoewel een spanning nodig is om stroomsterkte te genereren, zal de actuator niet functioneren zonder deze stroomsterkte.

Op de pagina “Sensortypes en signalen” wordt dieper ingegaan op de ingangssignalen van de sensor naar de ECU. Op deze pagina wordt de aansturing van actuatoren uitgelicht.

Aansturing van een actuator door een relais, transistor en FET:
De actuator wordt door de ECU in- en uitgeschakeld. In de ECU wordt door middel van een transistor of een FET een elektrische verbinding gemaakt of verbroken. 
Het aanstuurprincipe van een transistor is gelijk aan een relais: beide componenten worden aangestuurd met een stuurstroom om hun in geleiding te brengen. De werking van een transistor verschilt wel met een relais: in de transistor geen bewegende delen. De transistor schakelt met een elektronenstroom. 

In de onderstaande drie afbeeldingen zien we een relaisschakeling met een lamp.

  1. Relais uitgeschakeld: er loopt geen stuurstroom. De spoel is niet magnetisch, dus de schakelaar in de hoofdstroomzijde staat open. Er loopt ook geen hoofdstroom. De lamp is uitgeschakeld;
  2. Relais ingeschakeld: de relaisspoel krijgt een voedingsspanning en is verbonden met massa. Er gaat een stuurstroom lopen en de spoel verbruikt de voedingsspanning om magnetisch te worden. Als gevolg van het magnetisch veld wordt de schakelaar in de hoofdstroomgedeelte dichtgetrokken. Er gaat een hoofdstroom lopen en de lamp gaat branden;
  3. Situatieschets van stuurstroom door de spoel en hoofdstroom door de lamp.
1. Relais uitgeschakeld
2. Relais ingeschakeld
Actuatoraansturing_relais3
3. Stuurstroom relaisspoel, hoofdstroom verbruiker

In een ECU worden transistoren en/of FET’s in- en uitgeschakeld. In de volgende drie afbeeldingen zien we een transistorschakeling met wederom een lamp als verbruiker. De transistor is van het type NPN.

  1. Transistor niet in geleiding: op de basis-aansluiting van de transistor staat geen voedingsspanning. Er loopt geen stuurstroom, dus de transistor schakelt daarmee geen hoofdstroom door;
  2. Transistor in geleiding: op de basis-aansluiting wordt een voedingsspanning gezet. Er loopt een stuurstroom via de basis en emitter naar massa. De transistor gaat geleiden, waardoor de massa-aansluiting van de lamp wordt verbonden met de massa van de stroomkring. Er gaat een hoofdstroom lopen en de lamp gaat aan;
  3. Situatieschets van de stuurstroom door de transistor en de hoofdstroom door de lamp.
1. Transistor niet in geleiding
2. Transistor in geleiding
3. Stuurstroom brengt transistor in geleiding

Steeds vaker zien we dat FET’s in de ECU worden toegepast. De afkorting FET staat voor: “Field Effect Transistor”. Het belangrijkste verschil tussen een FET en transistor is dat een FET in geleiding wordt gebracht met een spanning, terwijl een transistor een stuurstroom nodig heeft. Op het moment dat de FET in geleiding wordt gebracht, komt er een elektronenstroom op gang. De elektronenstroom loopt van min naar plus (werkelijke stroomrichting).

  1. FET niet in geleiding. De gate is niet voorzien van een stuurspanning;
  2. FET in geleiding: er wordt een stuurspanning op de gate gezet. De FET gaat geleiden, waardoor er een hoofdstroom door de lamp gaat lopen;
  3. Situatieschets waarin we de richting van de elektronenstroom (van min naar plus) door de FET zien lopen. 
1. FET niet in geleiding
2. FET in geleiding
3. Stuurspanning brengt FET in geleiding

De werking van de transistor en FET worden op aparte pagina’s beschreven. Op deze pagina richten we ons uitsluitend op de schakelprincipes van actuatoren.

Aansturing van een actuator door een ECU:
De transistor en FET zitten in de printplaat van de ECU, maar soms ook in actuatoren verwerkt. In deze paragraaf gaan we dieper in op de ECU-schakelingen bij vier verschillende soorten actuatoren. In de afbeelding zien we twee passieve actuatoren met een eigen plus en een massaschakeling via de ECU.

Passieve actuatoren zijn – in de meeste gevallen – voorzien van een spoel, welke een eigen voedingsspanning hebben, en door de ECU naar massa worden geschakeld. Een passieve actuator kan wel een positiesensor bezitten, maar deze is vaak ook passief (een externe potentiometer), en wordt via een aparte signaaldraad in een ander deel van de ECU verwerkt. 

Op het moment dat de stroomsterkte door de actuator direct door de transistor in de ECU wordt gestuurd, wordt dit een vermogenstransistor genoemd. De aansturing van een passieve actuator kan tevens via een FET plaatsvinden.

Vermogenstransistor (links) en FET (rechts)

De onderstaande afbeeldingen tonen voorbeelden hoe passieve actuatoren worden aangestuurd.

1. Bobine-aansturing: bij een bobine zonder interne drivers wordt de primaire stroom van de bobine door de ECU naar massa geschakeld. De afbeelding toont de vermogenstransistor in de ECU (2), uitgevoerd als Darlington-schakeling om voor een grotere versterkingsfactor te zorgen, die de primaire spoel van de bobine (3) aan massa schakelt om de primaire spoel op te laden. De secundaire spoel is met de bougiezijde (4) verbonden.

2. Elektomotor-aansturing: met behulp van een H-brug kan een elektromotor met koolborstels in twee richtingen draaien. De H-brug kan zijn uitgevoerd met transistoren of met FET’s zoals afgebeeld. De elektromotor is voorzien van een potentiometer om de positie terug te koppelen naar de ECU. De toepassingen kunnen o.a. zijn: elektromotor voor de kachelklep, EGR-klep, spiegelglas, stoelverstelling, gasklep. In het laatste geval wordt er een dubbele potentiometer toegepast voor de veiligheid. De H-brug is meestal een IC welke in de printplaat van de ECU is aangebracht.

1. Bobine-aansturing door vermogenstransistor in ECU
2. Elektromotor-aansturing d.m.v. FET's in een H-brug

Op de pagina H-brug worden voorbeelden van de verschillende uitvoeringen van de H-brug met transistoren en FET’s beschreven.

Naast passieve actuatoren, komen we ook actieve en intelligente actuatoren tegen. In de onderstaande afbeelding zien we de schakeling van deze types.

Bij actieve en intelligente actuatoren schakelt de ECU de stroomsterkte indirect door de actuator. De transistor in de ECU is relatief licht uitgevoerd, aangezien de stroomsterkte die hij door zal schakelen, nihil zal zijn.

  • Actieve actuator: de vermogenstransistor bevindt zich nu niet in de ECU, maar in de actuator zelf. Een voorbeeld hiervan is een bobine (een penbobine, of DIS-bobine met interne drivers). De actieve actuator is in dit geval de driver. De actuator krijgt een constante voeding en een constante massa, en de signaaltransistor in de ECU schakelt de vermogenstransistor in of uit met een logische 1 of 0 (5 volt of 0 volt);
  • Intelligente actuator: de actuator is voorzien van een eigen ECU met een schakeltransistor. Door middel van LIN-bus wordt er gecommuniceerd tussen beide (of meerdere) ECU’s, waarbij digitale signalen worden uitgewisseld. Een voorbeeld van een intelligente actuator is een ruitenwissermotor. Door middel van de LIN-buscommunicatie kunnen gegevens als: de huidige positie van de ruitenwisserarmen, snelheid en de beweging naar de nulstand worden uitgewisseld.
Signaaltransistor (links) en digitale input (rechts)
error: