Themen:
- Potentiometer
- Widerstandsfortschritt
- Signalspannung
- Spannungsteiler
- Potentiometer zur Spiegelverstellung
- Potentiometer für den Drosselklappen-Verstellmotor
Potentiometer:
Ein Potentiometer wird auch Potentiometer oder Winkelsensor genannt und wird in der Automobiltechnik häufig als Positionssensor beispielsweise des Gaspedals, der Drosselklappe oder für den Tankfüllstand eingesetzt. Der Läufer (Schleifkontakt) bewegt sich mittels eines verstellbaren Teils über die Carbonschiene, wobei a Widerstandsänderung ermittelt und somit die Position bestimmt werden kann. Die drei Bilder unten zeigen ein tatsächliches Potentiometer, die Teile in einem Potentiometer und das Symbol eines Potentiometers.
Der Widerstand der Signalverbindung ändert sich, wenn der Läufer in eine andere Position auf der Carbonbahn gedreht wird. Allerdings kann ein Steuergerät den Widerstand nicht „lesen“. Ein Steuergerät schaltet eine Referenzspannung von 5 Volt und eine Masse auf die beiden äußeren Anschlüsse des Potentiometers. Da nun Strom durch die Carbonschiene fließt, wird die 5-Volt-Spannung in der Carbonschiene verbraucht. Am Eingang lag eine Spannung von 5 Volt und am Ausgang 0 Volt an. Auf halber Strecke der Carbonbahn ist die Hälfte der Spannung verbraucht: Hier beträgt die Spannung die Hälfte der Referenzspannung, nämlich 2,5 Volt. Die über den Schleifer und die Signalverbindung an die Steuereinheit gesendete Spannung versorgt die Steuereinheit mit ausreichenden Informationen, um die Position auf dem Grad genau zu bestimmen. Dies dient unter anderem dazu Gaspedal- und Drosselklappensensoren.
Die Spannung von 5 Volt ist ein gebräuchlicher Wert, da die Bordspannung in allen Betriebszuständen über 5 Volt bleibt. Würden wichtige Sensoren mit einer Spannung von 12 Volt arbeiten, könnte es beim Starten des Motors zu Fehlfunktionen kommen: Im Winter könnte die Startspannung bei einer mittelmäßigen Batterie auf 10 Volt sinken.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Potentiometer eine Spannung für einen Stromkreis beispielsweise mit einem Operationsverstärker bereitstellt, wie im Scheinwerfereinstellung. In diesem Fall arbeitet das Potentiometer mit einer Spannung von 12 bis 14 Volt.
Das Potentiometer kann oft eine Drehung von 270 Grad machen. Wir gehen hier von einem Potentiometer mit linearer Steigung aus. Die Animation zeigt die Ausgangsspannung an sieben verschiedenen Positionen des Läufers:
- 0 Grad: 0 Volt
- 45 Grad: 0,8 Volt
- 90 Grad: 1,7 Volt
- 135 Grad: 2,5 Volt
- 180 Grad: 3,3 Volt
- 225 Grad: 4,2 Volt
- 270 Grad: 5 Volt
Tatsächlich ändert sich die Ausgangsspannung mit jedem Grad Drehung des Läufers über die Carbonbahn:
- Der Gesamthub beträgt 270 Grad;
- Der Widerstand beträgt 10 kΩ (10.000 Ω)
- Mit jedem Grad Drehung ändert sich der Widerstand um 37 Ω
- Die Spannung ändert sich pro Grad Drehung um 18,5 mV (0,0185 V).
In der Animation oben sehen wir, dass die Signalspannung bei 0 % Verdrehung 0 Volt und bei 100 % 5 Volt beträgt. Dies kann jedoch auch umgekehrt sein: 0 % Twist 5 Volt und 100 % 0 Volt.
Widerstandsverlauf:
Bei einem linearen Potentiometer entspricht jedes Grad Winkeldrehung einem bestimmten festen Wert. Beispielsweise ergibt ein 270-Ω-Potentiometer, das eine Drehung um 270° ausführen kann, einen Widerstandsunterschied von 1 Ω pro Grad Drehung. Bei einem logarithmischen Potentiometer ist die Widerstandsänderung nicht direkt proportional, sondern progressiv.
Im nächsten Bild sehen wir den linearen Verlauf (rot) des Potentiometers im vorherigen Absatz. Darüber hinaus ist auch der logarithmische Verlauf (grün) des anderen Potentiometertyps zu erkennen. Das logarithmische Potentiometer wird hauptsächlich zur Simulation physikalischer Vorgänge eingesetzt.
Die Signalspannung dieser Potentiometer ist proportional zum Widerstand.
Signalspannung:
Der Anschluss des Potentiometers erfolgt wie folgt:
- Versorgungsspannung von 5 Volt vom Steuergerät;
- Masse 0 Volt über das Steuergerät;
- Der Läufer übermittelt die analoge Spannung von 0 bis 5 Volt an den Signalanschluss des Steuergerätes.
Der Arbeitsbereich des Potentiometers liegt zwischen 0,5 und 4,5 Volt. Hersteller können auch andere Extremwerte wählen, zum Beispiel: 0,4 bis 4,6 Volt. Das Signal des Potentiometers darf niemals über diesen Arbeitsbereich hinausgehen. Erkennt das Steuergerät, dass die Signalspannung in den verbotenen Bereich gelangt, erkennt es dies als fehlerhaft und speichert einen Fehlercode.
- Signalspannung 5 Volt: Zeigt eine Unterbrechung des Erdungskabels oder eines positiven Stromkreises an;
- Signalspannung 0 Volt: Zeigt eine Unterbrechung der Versorgungsleitung oder einen Erdschluss an.
Um die Zuverlässigkeit des Signals zu gewährleisten, wird ein Doppelpotentiometer an einem Gaspedal oder einer Drosselklappe verwendet. Die Signale können vertikal zueinander gespiegelt werden (wie in der Abbildung) oder proportional auf einem anderen Spannungsniveau. Auf jeden Fall sind sie möglicherweise nicht gleich. Das Steuergerät vergleicht die Signalspannungen.
Sobald das Steuergerät an einem der beiden Potentiometer ein Signal erkennt, das unrealistisch ist (Spitzen, oder das Signal landet im verbotenen Bereich), geht es in den sogenannten Notmodus und verwendet das zweite Signal.
Auf der Seite: Gaspedal und Drosselklappe Die Anwendung des Potentiometers wird ausführlich besprochen, einschließlich „Throttle by Wire“ und Oszilloskopbilder von Signalen mit Fehlern.
Siehe auch: Sensortypen und Signale.
Spannungsteiler:
Eine Reihenschaltung aus Widerständen verhält sich wie ein Spannungsteiler. Die Versorgungsspannung wird jeweils über die Widerstände in dieser Reihenschaltung verteilt. Spannungsteiler. Der kleinste Widerstand hat den geringsten Spannungsabfall und der größte Widerstand hat den größten Spannungsabfall.
Die folgenden Bilder zeigen das Potentiometer im realen Zustand und in schematischer Darstellung, das an eine 12-Volt-Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Potentiometerläufer steht auf halbem Weg. Im mittleren Bild sehen wir das Potentiometer schematisch. Rechts sehen wir den Spannungsteiler mit zwei separaten Widerständen mit dazwischen liegendem Anschluss 3. Die drei Diagramme sind einander äquivalent.
Da das Potentiometer einen festen Widerstandswert hat, ist die Summe der Widerstände (R1 + R2) gleich dem Gesamtwiderstand. Durch die Bewegung des Läufers ändert sich der Widerstand von R1 und R2 (rechtes Diagramm). Die Ausgangsspannung an Pin 3 ist hoch, wenn der Schleifer oben ist und der Widerstandswert R1 klein ist.
Potentiometer zur Spiegelverstellung:
Zwei Elektromotoren ermöglichen die horizontale und vertikale Verstellung des Spiegelglases. Bei modernen Fahrzeugen erfolgt die Steuerung über ein Steuergerät. Im Diagramm unten sehen wir dieses Steuergerät (J386). Das Steuergerät aktiviert den Aktor, sobald:
- der Fahrer betätigt die Spiegelverstelltaste, oder:
- Der Rückwärtsgang ist eingelegt und ein Spiegelglas muss nach unten gerichtet sein (normalerweise das auf der Beifahrerseite);
- muss durch die Memory-Funktion auf eine andere gewünschte Position eingestellt werden. Dies wird in der Regel durch den Schlüssel (Fernbedienung) identifiziert;
- Der Techniker steuert den Aktuatormotor über einen Aktuatortest mithilfe eines Auslesecomputers.
Um das Spiegelglas in die gewünschte Position zu bringen, ist es notwendig, die Position des Spiegelglases zu erkennen. Die Potentiometer G791 und G792 senden das Signal über die Leitungen grau/gelb und blau/rot an das Steuergerät. Wenn die Spiegelpositionen zweier verschiedener Fahrer auf einer eigenen Schlüsselnummer gespeichert sind, stellt sich der Aktuator auf die richtige Position ein, sobald der betreffende Fahrer die Türen mit der Fernbedienung entriegelt. Neben den korrekten Spiegelglaspositionen werden in der Regel auch die elektrische Lenksäulenverstellung und die Sitzpositionsverstellung (falls vorhanden) auf die Sollposition eingestellt. Auf der Seite: Außenspiegel und Spiegelverstellung Die Steuerungsmethoden der Spiegelverstellmotoren werden beschrieben.
Legende:
- J386: Türsteuergerät;
- V17: Motor für horizontale Spiegelglasverstellung;
- G791: horizontales Spiegelglas-Einstellpotentiometer;
- G792: Potentiometer zur vertikalen Spiegelglasverstellung;
- V149: Motor für vertikale Spiegelverstellung;
- V121: motorische Spiegelanklappfunktion;
- Z4: Spiegelheizelement;
- L131: Kontrollleuchten im Außenspiegelgehäuse.
In obigem Elektrischer Schaltplan Auch der Elektromotor V121 (Spiegelanklappfunktion) ist sichtbar. Da für die Klappfunktion keine Zwischenpositionen erforderlich sind, ist eine Rückmeldung eines Positionssensors nicht erforderlich. Schließlich sind die Spiegel entweder aus- oder eingeklappt. Bei Erreichen der Endposition erhöht sich der Strom des Elektromotors, wodurch die ECU das Erreichen der Endposition „erkennt“ und somit die Regelung beendet.
Potentiometer für den Drosselklappen-Verstellmotor:
Als Beispiel wurde auf dieser Seite bereits das Potentiometer des Drosselklappen-Verstellmotors verwendet. Das folgende Diagramm zeigt den Aktuator (links) und die beiden Potentiometer mit gemeinsamer Stromversorgung und Masse sowie zwei Signalanschlüssen (rechts). Die Signalanschlüsse (Pins 4 und 5 im Potentiometerstecker) liefern Signale mit unterschiedlichem Spannungsverlauf:
- der Verlauf ist auf einem anderen Spannungsniveau linear, wobei die Spannungen gleichzeitig steigen und fallen, oder;
- die Signalspannungen sind einander entgegengesetzt.
Die drei Bilder unten zeigen drei Messungen der Drosselklappensensoren und ihrer gemeinsamen Stromversorgung und Masse. Die Versorgungsspannung beträgt wieder 5 Volt und die Signalspannungen liegen innerhalb der Toleranzen.
Im Störungsfall kann die Signalspannung abweichen. Zwei Situationen sind möglich:
- Eines der Signalkabel ist defekt. Da das Steuergerät die beiden Signalspannungen vergleicht, erkennt es dieses falsche Signal und geht in den Notlaufmodus. Dies geht mit einer leuchtenden Motorkontrollleuchte und reduzierter Motorleistung einher;
- Das Strom- oder Erdungskabel enthält einen Übergangswiderstand: In diesem Fall liegt ein Spannungsverlust über dem betreffenden Kabel vor, d. h beide Potentiometer geben ein zu niedriges Signal ab. Denn die Signalspannungen werden miteinander verglichen und sind relativ zueinander nicht unterschiedlich sind, wird dies vom Steuergerät bestimmt nicht anerkannt. Zu niedrige Signalspannungen werden von der ECU akzeptiert und führen zu einer Fehlansteuerung der Drosselklappe. Das Steuergerät steuert weiterhin den Drosselklappensteller, bis die gewünschte Position erreicht ist. Dies kann zu Folgeausfällen von Sensoren und Aktoren im Zusammenhang mit der Luftzufuhr aufgrund eines zu mageren Gemischs (positive Kraftstoffanpassung), Ausfällen im Lambda-Kreislauf, Ausfällen im Zusammenhang mit dem MAP-Sensor oder der AGR führen.
Die Fehlfunktion in der oben genannten Situation kann behoben werden, indem das Erdungskabel zwischen Pin B85 des Steckers am Steuergerät und Pin 1 des Steckers an der Drosselklappe ausgetauscht wird.
