Duty-cycle en PWM-regeling

Onderwerpen:

  • Algemeen
  • Meten aan een duty-cycle
  • Duty-cycle bij een plusschakeling
  • Duty-cycle bij een massaschakeling
  • Duty-cycle vanaf de voeding gemeten
  • Storingzoeken in de PWM-gestuurde brandstofdrukregelaar

Algemeen:
Met een duty-cycle schakeling kan de stroomsterkte door een verbruiker geregeld worden. De stroomsterkte kan geregeld worden zonder dat er vermogensverlies ontstaat, zoals bij een voorschakelweerstand wel het geval is. In de autotechniek kan de duty-cycle onder anderen gebruikt worden om de snelheid van de kachelventilator te regelen, de stand van bijvoorbeeld de gaskleppositiemotor of het laten branden van verlichting.

Bij het toepassen van een duty-cycle op een lamp kan ervoor gezorgd worden dat de lamp minder fel gaat branden. Dit wordt o.a. toegepast bij achterlichten, waarbij één lamp op twee verschillende sterktes kan branden, namelijk voor de gewone verlichting en het remlicht. Bij de gewone verlichting brandt de lamp zwak (hier wordt een duty-cycle toegepast om de stroom door de lamp te beperken). Bij het remlicht zal de lamp zal de duty-cycle veranderen zodat de lamp feller brandt.

In de afbeelding is een achterlicht van een BMW 5-serie te zien, waarbij de linker lamp van het achterlicht ook als remlicht functioneert door deze feller te laten branden.

Meten aan een duty-cycle:
Met een oscilloscoop kan de duty-cycle gemeten worden. De oscilloscoop zal het spanningverloop ten op zichten van de tijd grafisch weergeven.

Wanneer een duty-cycle met een multimeter gemeten wordt, zal nooit de juiste spanningswaarde weergeven worden. Omdat de bij een duty-cycle constant de spanning varieert, zal de multimeter de gemiddelde spanning aangeven omdat deze te traag is.

Duty-cycle bij een plusschakeling:
In de onderstaande afbeelding staat een watervalschema met bovenaan de plus van de accu (12 volt), gevolgd door de zekering, de ECU (de elektronische schakelaar), de verbruiker (in dit geval een lamp) met als laatst de massa. De ECU schakelt de voedingsspanning constant in en uit.
Met de oscilloscoop wordt de spanning gemeten tussen de plus van de lamp en de massa van het voertuig. De oscilloscoopinstellingen zijn als volgt: 2 volt per divisie en 5 milliseconden per divisie. Dat betekent dat elk hokje van onder naar boven 2 volt bedraagt, dus als de hokjes van de opgaande lijn op worden geteld (in totaal 6 stuks), is de hoogst gemeten spanning 12 volt.
De tijdsduur is van links naar rechts. Elk hokje (divisie) staat ingesteld op 5 milliseconden. Als er van links naar rechts gekeken wordt, is te zien dat de lijn 10 milliseconden hoog en 10 milliseconden laag is.

De oscilloscoop meet net als bij de multimeter het spanningsverschil tussen de pluskabel en de minkabel die op de meter aangesloten zitten. Als bij het onderstaande schema de lamp ingeschakeld is, staat op de pluskabel een spanning van 12 volt en op de minkabel (altijd) 0 volt omdat deze op de massa aangesloten is. Het verschil daartussen wordt door de meter aangegeven; het verschil tussen 12 volt en 0 volt is 12 volt. Deze 12 volt wordt in het scherm van de meter weergeven. Wanneer de duty-cycle hoog is, is de lamp ingeschakeld. Bij een massaschakeling is dit niet het geval. Dat wordt in de volgende paragraaf uitgelegd.

Om de duty-cycle te bepalen, is het belangrijk om te weten wat 1 periode inhoudt. In een periode is de spanning een keer hoog en een keer laag. Na deze periode begint de volgende periode. In het onderstaande scoopbeeld is 1 periode blauw gemarkeerd. Hierin is te zien dat de periode in totaal 20 milliseconden duurt, namelijk 10 ms hoog en 10 ms laag. Er kan dus afgelezen worden dat de helft van de tijd de spanning hoog, en de andere helft laag is. De duty-cycle bedraagt in dit scoopbeeld dus 50%. De lamp brandt in dit geval zwak.

In de onderstaande afbeelding is de periode hetzelfde gebleven (20 ms), maar de spanning is in dit geval maar een kwart van de tijd (5 ms) hoog en driekwart van de tijd (15 ms) laag. Bij deze meting bedraagt de duty-cycle 25%. Dat betekent dat de lamp nu nog zwakker brandt dan bij de duty-cycle van 50%, omdat de lamp nog maar een kwart van de totale periode stroom krijgt.

Duty-cycle bij een massaschakeling:
In de autotechniek wordt meestal gebruik gemaakt van massaschakelingen. Bij een massageschakelde verbruiker zal de duty-cycle omgekeerd zijn t.o.v. een plusschakeling. Een voorbeeld hiervan is in de onderstaande afbeelding te zien.
Wanneer de lamp uitgeschakeld is, heeft de ECU de verbinding met massa onderbroken. Dat betekent dat de stroomkring onderbroken is. De spanning van 12 volt staat in dat geval op de ingang van de ECU. Dat betekent dat deze spanning ook op de minaansluiting van de lamp staat. Het spanningsverschil bij een uitgeschakelde lamp is in dit geval dus 12 volt.

Zodra de ECU de lamp aan massa schakelt, zal de lamp gaan branden. Er loopt dan een stroom van plus naar min. De lamp gebruikt de 12 volt om te branden, dus er staat 0 volt op de minaansluiting van de lamp. Er staat in dat geval 0 volt op de pluskabel en 0 volt op de minkabel. Het spanningsverschil is dan 0 volt. Dat betekent dat bij 0 volt de lamp is ingeschakeld en bij 12 volt de lamp is uitgeschakeld.

Om de lamp zwakker te laten branden, dient de tijd waarin de lamp stroom krijgt verkort te worden. Dit is in de onderstaande afbeelding te zien. In één periode is de spanning 15 ms hoog (lamp is uitgeschakeld) en 5 ms laag (lamp is ingeschakeld). De lamp is in dit geval nog maar een kwart van de periode ingeschakeld, waardoor deze zwakker zal gaan branden.

Duty-cycle vanaf de voeding gemeten:
De voorgaande metingen zijn allemaal uitgevoerd ten op zichten van de massa van het voertuig. Een andere mogelijkheid is het meten vanaf de plus van de accu naar de massa van de verbruiker, zoals in de onderstaande afbeelding is te zien.

Op het moment dat de ECU de massa doorgeschakeld heeft, zal de lamp gaan branden. In dat geval wordt de voedingsspanning van 12 volt door de lamp verbruikt om te branden. Er zal dus een spanning van 0 volt op de minkabel van de oscilloscoop staan. Op de pluskabel staat een spanning van 12 volt. In dat geval is er dus een spanningsverschil van 12 volt tussen de meetkabels, dus zal de lijn van 12 volt in het beeldscherm aangeven dat de lamp ingeschakeld is. Dit is dus 25% van de periode.

Zodra de ECU de verbinding met massa verbreekt, zal de spanning van 12 volt ook op de minzijde van de lamp staan. Het spanningsverschil tussen de meetkabels van de oscilloscoop zal dan 0 volt zijn. Er wordt dan 0 volt in beeld weergeven op het moment dat de lamp uitgeschakeld is.

Storingzoeken in de PWM-gestuurde brandstofdrukregelaar:
Op de pagina regelapparaten wordt uitgelegd hoe het circuit in de ECU van een PWM-gestuurde raildrukregelaar eruit ziet. Daarom is het advies om eerst de informatie op die pagina te lezen.

De raildrukregelaar op de hogedrukrail van de common-rail dieselmotor wordt door het motorregelapparaat met een PWM (Pulse Width Modulation) aangestuurd.
In rust is de klep in de drukregelaar geopend, waardoor de brandstofdruk de hogedrukrail via de retour kan verlaten. De klep sluit op het moment dat deze wordt aangestuurd. De druk in de rail loopt op. Wanneer de raildruksensor een (te) hoge druk registreert, past de ECU het PWM-signaal aan.

De onderstaande afbeelding toont het schema van het motorregelapparaat (J623) en de raildrukregelaar (N276). De raildrukregelaar wordt op pin 2 gevoed met een spanning tussen de 13 en 14,6 volt (afhankelijk van de laadspanning bij draaiende motor). De ECU legt pin 45 aan massa op het moment dat de klep moet worden aangestuurd. Er gaat een stroom door de spoel van N276 lopen zodra pin 45 aan massa ligt. De druk in de common-rail loopt op. Op het moment dat de ECU de verbinding tussen pin 45 en massa onderbreekt, stopt de drukopbouw in de brandstofrail. De veer in de drukregelaar opent de klep weer een beetje, waardoor de brandstof via de retourleidingen terug naar de tank kan stormen.

Het scoopbeeld toont een voedingsspanning (blauw) en de PWM-regeling (rood). De voedingsspanning bedraagt rond de 13,5 volt en is constant.
De spanning van het PWM-aanstuursignaal (rood) bedraagt tussen de 0 en 13,5 volt. In dit scoopbeeld is te zien dat de klep constant wordt in- en uitgeschakeld. 
De stroom (groen) loopt op zodra de klep bekrachtigd is en daalt na het uitschakelen.

In rust bedraagt de spanning 13,5 volt. De PWM-klep wordt niet aangestuurd. 
De veer die zich in de klep bevindt zorgt dat de klep in rust is geopend. 
Op het moment dat de ECU de massa inschakelt (in het scoopbeeld is dit te zien op het moment dat het rode signaal 0 volt bedraagt) gaat er een stroom door de spoel lopen (het groene beeld), waardoor de klep sluit.

In het scoopbeeld is te zien dat de klep steeds een korte tijd wordt ingeschakeld en een langere tijd is uitgeschakeld. Dat betekent dat de brandstofdruk relatief laag moet zijn.

We lezen de auto uit en bekijken de live data. De brandstofdruk bedraagt bij een stationair toerental bijna 300 bar. Dit is in orde.

Storing: motor slaat niet meer aan tijdens het starten.
Tijdens het starten slaat de motor niet aan. We zijn er zeker van dat er voldoende brandstof in de tank zit. We beginnen uiteraard met het uitlezen van storingen. Er zijn in dit geval geen storingen opgeslagen. Daarom bekijken we de live data (in VCDS worden dit de meetwaardeblokken genoemd). Tijdens het starten bedraagt het starttoerental 231 omw/min. De ECU ontvangt het krukassignaal. Dat is goed.
De brandstofdruk bedraagt tijdens het starten 7.1 bar. Dat is te laag om de motor aan te laten slaan.

Een te lage brandstofdruk kan de volgende oorzaken hebben:

  • te weinig brandstof in de tank
  • brandstofpomp (opvoerpomp of hogedrukpomp) defect
  • verstopt brandstoffilter
  • defecte brandstofdrukregelklep

Om vast te kunnen stellen waarom de brandstofdruk te laag blijft, controleren we met de oscilloscoop de spanningen van de elektrische componenten.
Eerder in deze paragraaf is het scoopbeeld van de goed werkende PWM-brandstofdrukregelaar getoond. Het volgende scoopbeeld is opnieuw een meting van deze drukregelaar, maar nu met een storing. 

Tijdens het toenemen van de stroom neemt de voedingsspanning af. De voedingsspanning daalt dus als er stroom loopt. Daarnaast vallen de volgende punten op:

  • Bij het inschakelen daalt de voedingsspanning naar een lagere waarde, normaliter veroorzaakt een overgangsweerstand een abrupte daling (een verticale lijn in het scoopbeeld naar een lagere spanning);
  • De stroomopbouw volgt na het inschakelen van de spoel de kenmerkende laadcurve volgens de e-macht. Het stroomverloop bij het ontladen is gespiegeld aan de geleidelijke opbouw van de voedingsspanning. De stroomsterkte daalt niet naar 0 A. Er blijft dus stroom lopen nadat de aansturing is beëindigd.
  • Zodra de spoel wordt uitgeschakeld is er geen inductiepiek in het rode beeld te zien (waar de spanning van 0 naar 14 volt stijgt). Denk daarbij aan het uitschakelen van de injectorspoel waarbij een piek tot wel 60 volt kan ontstaan.

Er is dus sprake van een overgangsweerstand in de voedingsdraad naar de brandstofdrukregelaar. Alleen wanneer er stroom loopt, ontstaat er spanningsverlies als gevolg van de overgangsweerstand. Bij een uitgeschakelde massa loopt er geen stroom en blijft de voedingsspanning netjes gelijk aan de accuspanning.

Nu weer terug naar het schema: de voedingsdraad is rood omcirkeld. De volgende stap is het werkelijk opsporen van de beschadigde draad. Beschadigingen kunnen optreden als gevolg van het schuren tegen motoronderdelen, of doordat de draad klem heeft gezeten bij eerdere montagewerkzaamheden. Wanneer men de beschadiging heeft gevonden, kan deze worden hersteld.

Het is nu duidelijk wat de overgangsweerstand tot gevolg had. Het is u wellicht al opgevallen dat er is gesproken over een ontbrekende inductiepiek in het scoopsignaal. Bij het uitschakelen van de spoel daalt het stroombeeld langzaam naar een lagere waarde. Er is dus geen onderbreking van de aansturing; deze wordt wel beëindigd, maar toch blijft er stroom door de spoel lopen.

Op het moment dat de FET door de microprocessor in geleiding is gebracht, kan er een stroom lopen van de drain naar source en dus ook door de spoel. Daarmee is de spoel bekrachtigd en kan de regelklep tegen de veerkracht in sluiten door het ontstane magnetische veld.

Zodra de aansturing van de FET eindigt, loopt er geen stroom meer via de spoel naar massa. De vrijloopdiode zorgt ervoor dat de inductiestroom, als gevolg van de restenergie in de spoel, naar de plus wordt gevoerd. Dit zorgt voor een geleidelijke stroom afbouw en voorkomt dat er een inductie plaatsvindt. Dit proces wordt in de afbeelding met de rode pijlen aangegeven.

Dit verklaart waarom in het scoopbeeld nog een stroomverloop zichtbaar is nadat de aansturing al is beëindigd.