Sensoren und Aktoren - ZAWM

Sensoren und Aktoren
III Sensoren und Aktoren
Allen elektronischen Systemen gemeinsam ist, dass sie nach dem EVA-Prinzip der Informationsverarbeitung
arbeiten.
EINGABE VERARBEITUNG AUSGABE
Information
ð
Ansteuerung
ð
Sensoren Steuergerät Aktoren
Bei der Eingabe handelt es sich grundsätzlich um Sensoren, die auch als Signalgeber, Fühler oder
Messwertaufnehmer bezeichnet werden.
Die Verarbeitung der elektrischen Signale erfolgt durch einen zentralen Mikrocomputer (Steuergerät)
der mit Hilfe von einprogrammierten mathematischen Formeln und Kennfeldern die Entscheidungen
trifft und die Aktoren ansteuert.
Auf der Ausgabe befinden sich die Aktoren (Stellglieder), die die Befehle des Steuergerätes umsetzen.
Sensoren und Aktoren können, je nach Einsatz analog, binär oder digital arbeiten.
1. Sensoren
Sensoren werden hauptsächlich in den folgenden drei Bereichen eingesetzt:
• Fahrsicherheit (z.B. ESP, ABS und Airbag)
• Antrieb (z.B. Lambda-Sonde, Nockenwellensensor und Klopfsensor)
• Komfort (z.B. Regensensor, Klimaanlagensensor und Tür-Fernbedienung)
Sensoren werden oft entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen nichtelektrischer in elektrische
Größen in aktive und passive Sensoren unterteilt. Die Zuordnung wann ein Sensor „Aktiv“ oder
„Passiv“ ist, ist auch unter Fachleuten nicht ganz eindeutig definiert.
Im folgenden wird deshalb eine allgemeine Erklärung gegeben ohne Anspruch auf Vollständigkeit.
• Aktive Sensoren sind Messfühler, die intern verstärkende oder signalformende Bauelemente
enthalten und mit einer Stromversorgung betrieben werden. Das Sensorsignal ist durch seine
im Sensor integrierte Elektronik ein Rechtecksignal.
• Passive Sensoren sind Sensoren die nur passive Elemente (Spule, Widerstand, Kondensator)
enthalten. Die Signale werden in den meisten Fällen als analoge Spannung ausgegeben.
Drehzahlfühler beim ABS können demzufolge „passiv“ oder „aktiv“ sein. Drehzahlfühler ohne permanent
anliegende Stromversorgung („passive“ Spule) werden als „Passiv“ bezeichnet. Drehzahlfühler
deren „aktives“ elektronisches Bauteil permanent an der Stromversorgung anliegt mit z.B. dem Wirkprinzip
des „Halleffekts“ werden als „Aktiv“ bezeichnet.
Die Elektronik im Pkw kann nur funktionieren, wenn die Sensoren – die elektronischen Sinnesorgane
des Mikrocomputers – physikalische Größen wie Temperaturen, Drehzahlen, Winkel, Drücke u.a. in
elektrische Signale umwandeln und an das Steuergerät weitermelden kann. Da die Sensoren je nach
ihrem Einsatzort im Auto oft extremen Bedingungen ausgesetzt sind, hängt von ihrer zuverlässigen
Funktion der Erfolg der Motor-Elektronik ab.
Im folgenden sind einige für die Steuerung und Regelung des Motors wichtige Sensoren aufgeführt.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 1

Sensoren und Aktoren
1.1. Induktiv-Sensor
Für das Erfassen von Bewegungen (Raddrehzahlen, Kurbelwellenumdrehungen, etc) und Positionen
(OT) verwendet man z.B. nach dem Induktionsprinzip arbeitende Sensoren (oder Induktivgeber). Das
physikalische Prinzip der Erzeugung einer Induktionsspannung beruht auf der zeitlichen Änderung des
Magnetflusses. Der Drehzahlmesser z.B. tastet die Zähne des Schwungrad-Zahnkranzes ab und liefert
pro Zahn einen Ausgangsimpuls.
Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines
ABS-Sensors bei niedriger Raddrehzahl.
1.2. Hall-Sensor
Auch mit dem Hall-Sensor lassen sich Drehzahlen (Geschwindigkeitsgeber, Wegstreckenfrequenzgeber)
und Positionen (Zündzeitpunkt) bestimmen.
In der Hall-Sonde, die von einem Steuerstrom durchflossen wird, wird eine zur magnetischen Flussdichte
B proportionale Spannung, U H (Hallspannung) erzeugt. Durch eine rotierende Blende lässt sich
das Magnetfeld phasengleich zur Drehzahl ändern und somit ein zur magnetischen Flussdichte B proportionales
Spannungssignal erzeugen.
Die am Hallgenerator abgenommene Spannung U H liegt im Millivoltbereich und muss mittels eines
Hall-Ics verstärkt und in rechteckförmige Spannungssignale (Binäres Signal) umgeformt werden.
.
Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines Hallgebers
im Zündverteiler im Leerlauf.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 2

Sensoren und Aktoren
1.3. Temperatur-Sensor
Temperaturmessungen am Motor und im Strom der angesaugten Luft liefern dem elektronischen
Steuergerät wichtige Daten über die Belastungsphasen, in denen sich der Motor gerade befindet. Die
Temperatur-Sensoren messen elektronisch mittels sogenannten NTC-Widerständen bzw. PTC-
Widerständen die Temperatur über Widerstandsveränderungen. Es kommen überwiegend NTC-
Widerstände zum Einsatz.
NTC bedeutet Negativer Temperatur Coeffizient: der Halbleiterwiderstand verringert bei steigender
Temperatur seinen Wert. PTC heißt analog Positiver Temperatur Coeffizient: der Widerstand verringert
bei fallenden Temperaturen seinen Wert.
Die den jeweiligen Temperaturwerten entsprechenden Widerstandswerte werden in Form eines Spannungssignals,
an das Steuergerät weitergegeben.
Das obenstehende Bild zeigt den Spannungsverlauf eines
Kühlmitteltemperatur-Sensors, unmittelbar nach dem Kaltstart
in der Warmlaufphase mit einer erhöhten Motordrehzahl von
2.000 1/min.
1.4. Druck-Sensor
Zur Messung von absoluten bzw. relativen Drücken verwendet man piezo-elektrische Sensoren. Sie
erzeugen bei Belastung durch Druckkräfte eine elektrische Spannung.
Im Motorbereich werden sie als Klopfsensoren und als Druckfühler im Saugrohr z.B. bei Einspritzanlagen
eingesetzt, um den Lastzustand des Motors an das Steuergerät zu melden.
Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines MAP-
Sensors dessen Frequenz sich je nach Saugrohrdruck verändert.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 3

Sensoren und Aktoren
1.5. Sauerstoff-Sonde (Lambda-Sonde)
Damit für die katalytische Abgasentgiftung ein Lambda-Wert von λ = 1,00 möglichst genau eingehalten
wird, sitzt im Abgasstrom eine Lambda-Sonde. Der Sensor besteht aus einem speziellen Hohlkörper,
einseitig geschlossen, dessen innerer Teil mit der Außenluft verbunden ist, während die Außenwand
von den heißen Abgasen umströmt wird.
Die Sonde reagiert auf Sauerstoff im Abgas mit der Erzeugung eines Spannungssignals U λ . Die Spannung
ändert sich bei unterschiedlicher Gemischzusammensetzung. Die Spannung wird an das Steuergerät
weitergeleitet, und von dort wird über den λ -Regelkreis das Luft-Kraftstoffgemisch auf λ = 1,00
korrigiert.
Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf einer Lambda-
Sonde bei Leerlaufdrehzahl.
1.6. Potentiometer
Zur Bestimmung der Drosselklappenstellung, Fahrpedalstellung usw. verwendet man sogenannte potentiometrische
Sensoren, d.h. Sensoren, die ihren Wirkwiderstand verändern.
Bei der Drosselklappenstellung wird der Schleifer eines Potentiometers proportional zur Drosselklappenstellung
betätigt, wodurch ein entsprechender Spannungsabfall erzeugt und an das Steuergerät
weitergeleitet wird.
Das obenstehende Bild zeigt den Signalverlauf eines Drosselklappen-Sensors
vom Leerlauf nach Vollast.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 4

Sensoren und Aktoren
1.7. Kapazitive Sensoren
In heutiger Zeit kommen vermehrt kapazitive Sensoren im Kfz-Bereich zum Einsatz (Ölstandsmessung,
Dämpfereinstellung, Beschleunigungssensor). Dazu nutzt man z.B. die Kapazitätsänderung
zweier Kondensatoren mit gemeinsamer mittlerer Elektrode aus.
Unter Einwirkung einer Kraft, kommt es zu einer Abstandsänderung der mittleren Elektrode. Dabei
entfernt sie sich von ihrem Gegenüber auf der einen Seite und nähert sich der anderen. Demgemäss
verringert beziehungsweise vergrößert sich jeweils die Kapazität. Indem man die Differenz bildet, erhält
man ein Maß der auslenkenden Beschleunigung. Ein solcher Differentialkondensator besteht aus
Siliziumbasis und ist damit in großer Stückzahl kostengünstig herzustellen.
1 = Kondensatorelement; 2 + 3 = feste Kondensatorplatten;
4 = bewegliche Kondensatorplatten; 5 = bewegliche Masse;
6 = Federsteg; 7 = Verankerung; C = Luftspalt (Dielektrikum);
a = Beschleunigungsrichtung
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 5

Sensoren und Aktoren
2. Elektronisches Steuergerät
Da der Mikrocomputer im Steuergerät intern nur die Zustände „EIN“ und „AUS“ oder „1“ und “0“ kennt,
müssen die Eingangssignale die von den Sensoren ermittelten physikalische Größen wie Drehzahl,
Temperatur, Winkelstellung usw. zunächst in diese Form umgewandelt werden.
Motorregelungssteuergerät EEC V von Ford
2.1. Analog/Digital-Wandler (A/D)
Analog/Digital-Wandler wandeln analoge Signale in digitale Signale um.
Beispiele für analoge Eingangssignale sind:
• Temperaturfühler
• Luftmengenmesser
• Drosselklappenpotentiometer
2.2. Impulsformer (IF)
Impulsformer formen beliebige Eingangssignale in Rechtecksignale um.
Beispiel für Eingangssignale, die im Impulsformer verarbeitet werden:
• Drehzahlgeber
• Lambda-Sonde
2.3. Spannungsregler
Um Spannungsschwankungen zu umgehen, versorgt das PCM seine Sensoren mit einer stabilisierten
Spannung von 5 Volt (Referenzspannung). Ebenso ist die Masse im PCM stets potentialfrei, die Fahrzeugmasse
aufgrund der vorhandenen Störquellen jedoch nicht.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 6

Sensoren und Aktoren
2.4. Mikroprozessor (CPU)
Der Mikroprozessor (CPU = Control Prozessor Unit = Zentraleinheit) holt sich aus dem Programmspeicher
(ROM) Befehle und führt sie aus. Zu den Aufgaben der CPU zählen:
• Die aufbereiteten Zustandsgrößen (IST-Werte) im Betriebsdatenspeicher (RAM) zu laden.
• In Abhängigkeit von diesen Werten die Betriebszustände zu identifizieren.
• Aus dem Programmspeicher (ROM) die Kennfeldwerte für die Betriebszustände zu übernehmen.
• Messwerte und Kennfeldwerte über die im Programmspeicher abgelegten Rechenvorschriften
zu verknüpfen.
• Aus Zwischenwerten und Messwerten Stellsignale zu berechnen.
• die Stellsignale an die Ein/Ausgabe-Bausteine (I/O = In/Out) weiterzugeben.
Die von der Zentraleinheit (CPU) ausgegebenen Signale sind zum Ansteuern der Stellglieder zu
schwach. Sie werden daher in Endstufen verstärkt.
Beispiele für Stellglieder, die von Leistungsendstufen angesteuert werden:
• Einspritzventile
• Leerlaufsteller
• Zündspule
• Kraftstoffpumpe
Innerhalb der letzten Jahre ist es durch neue Techniken gelungen, immer kleinere, unempfindlichere
und leistungsfähigere Steuergeräte zu bauen.
3. Aktoren (Stellglieder)
Aktoren - bildhaft als "Muskeln der Mikroelektronik" bezeichnet - steuern, schalten und regeln technische
Prozesse. Hierfür wandeln sie die in elektrisch-digitaler oder analoger Form vorliegenden Stellbefehle
des Steuergeräts in mechanische Arbeit (Kraft x Weg) um.
Die Energiewandlung erfolgt motorisch, pneumatisch, hydraulisch, magnetisch und als optische Anzeige.
Zum Positionieren kommen vorzugsweise mechanische oder elektronisch gesteuerte Gleichstrommotoren
und Schrittmotoren zum Einsatz.
Stellglieder sind in den meisten Fällen Elektromagnete, die bei eingeschalteter Zündung plusseitig
dauernd mit 12 Volt versorgt werden. Das Steuergerät greift über die Masseseite ein und verbindet die
Masseleitung des Magneten mit der Motormasse.
Weil Computer nur im digitalen O/I-Modus arbeiten können, wird der Elektromagnet mehrere Male pro
Sekunde ein- und ausgeschaltet. Dabei werden durch eine Veränderung der Einschaltdauer, auch
Tastverhältnis genannt, ein beinahe stufenloses Öffnen und Schließen z.B. eines Ventils ermöglicht.
Diese Art der Steuerung nennt sich Pulsweiten-Modulation.
Eine Regelung des Tastverhältnisses (Duty-cycle) ist für den Computer eine einfache Methode durch
ändern der oberen Pulsweite (Einschaltdauer) die Spannung zu variieren. Die Durchschnittspannung
zum Stellglied ist dann proportional zur obere Pulsweite.
a = obere Pulsweite
b = untere Pulsweite
c = Periode
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 7

Sensoren und Aktoren
Die nachfolgenden Darstellungen zeigen ein elektrisches Signal, welches stets die gleiche Frequenz
aufweist aber dessen Spannung unterschiedlich lang ein- und ausgeschaltet wird.
Die obere Pulsweite beträgt hier 60%
und die untere Pulsweite 40%. Der prozentuale
Anteil der Einschaltzeit entspricht
dem Tastverhältnis von 60%.
Die mittlere Spannung beträgt somit
60% von 12 V = 7,2 V
Die obere Pulsweite beträgt hier 75%
und die untere Pulsweite 25%. Der prozentuale
Anteil der Einschaltzeit entspricht
dem Tastverhältnis von 75%.
Die mittlere Spannung beträgt somit
75% von 12 V = 9 V
Die obere Pulsweite beträgt hier 50%
und die untere Pulsweite 50%. Der prozentuale
Anteil der Einschaltzeit entspricht
dem Tastverhältnis von 50%.
Die mittlere Spannung beträgt somit
50% von 12 V = 6 V
Auch bei einem Einspritzventil wird die Einschaltdauer und damit die Einspritzmenge verändert, allerdings,
wird das Magnetventil vollständig geöffnet und geschlossen und nicht wie oben beschrieben
durch die mittlere Spannung in eine bestimmte Stellung gebracht. Zusätzlich verändert sich auch die
Frequenz bei den unterschiedlichen Drehzahlen.
Drehzahl niedrig
a = lastabhängige Grundeinstellung
b = Verlängerter Einspritzimpuls
Drehzahl hoch
Die Einspritzzeit wird vergrößert durch
Verlängerung des Einspritzsignals.
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Sensoren und Aktoren
4. Diagnose, Fehlerbehebung, Werkstatthinweise
4.1. Vorgehensweise bei der Fehlersuche
• Zuerst das entsprechende Stellglied prüfen, bei fehlerhaften Signal, muss das Ausgangssignal
direkt am Steuergerät geprüft werden.
• Bei korrektem Ausgangssignal ist die Verkabelung zum Stellglied zu prüfen.
• Bei falschem Ausgangssignal sind anschließend die entsprechenden Eingangssignale zu prüfen.
• Bei falschem Eingangssignal ist das Signal am Sensor selbst zu prüfen.
• Ist das Sensorsignal in Ordnung, prüft man die Leitungen zum Steuergerät auf Durchgang und
gegen Masse (Kurzschluss).
• 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.
• 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.
• Sollte die obenerwähnten Punkte kein Resultat ergeben, ist die Peripherie soweit in Ordnung
und der Fehler müsste am Steuergerät liegen, aber Achtung die häufigsten Fehler entstehen
durch schlechte Kontakte an den Steckverbindungen.
In einer VW-Untersuchung wurde die Ausfallraten
elektronischer Systeme im Kraftfahrzeug untersucht.
Die rein elektronischen Bauteile wie Transistoren,
integrierte Schaltkreise, Steuergerät usw.
fallen am wenigsten aus.
Der Fehleranteil beträgt nur 10%. Der nächstgrößere
Anteil wird durch die Sensoren und Stellglieder
verursacht. Ihr Fehleranteil beträgt 15%.
Der weitaus größte Fehleranteil mit 60% entfällt auf
die Verbindungstechnik, bestehend aus Steckkontakten,
Steckergehäuse usw..
4.2. 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 am betreffenden Bauteil ist einer Widerstandsmessung
vorzuziehen. Die Messung ist genauer und kann bei angeschlossenem Stecker geprüft werden.
Kontaktschwierigkeiten können so besser festgestellt werden.
• Einige Steckverbindungen in den Fahrzeugen können gold-beschichtet sein. Diese Stecker dürfen
nicht zusammen mit verzinnten Steckern verbunden werden, da eindringende Feuchtigkeit
eine schnelle Korrosion verursacht und dadurch die Kontakte beschädigt werden. Die Folgen
sind z.B. Übergangswiderstände.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 9

Sensoren und Aktoren
5. Hinweise für die praktische Arbeit
5.1. Bauteilprüfungen an verschiedenen Relais
5.1.1. Relais – Mini ISO
Anschlussbilder
Schaltbilder
Bauteilprüfung (keine Spannung liegt an)
Zu prüfen
Magnetspule
Kontakt
Magnetspule - Kontakt
Ohmmeter mit folgenden
Anschlüssen verbinden
Relais ist in Ordnung, wenn
85 und 86 50 – 100 Ohm
30 und 87a Stromkreis geschlossen
30 und 87 Stromkreis offen
86 und 30 Stromkreis offen
86 und 87a Stromkreis offen
86 und 87 Stromkreis offen
Bauteilprüfung (Spannung liegt an)
Stecken Sie das Ohmmeter ab; verbinden Sie Pin 30 und 85 mit einer 12 V Gleichspannungsquelle
und Pin 86 mit Masse. Messen Sie die Spannung zwischen Pin 87 und Pin 86. Beträgt die Spannung
12 V, setzen Sie die Prüfung fort. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais. Trennen Sie Pin 85 von der
Spannungsquelle und messen Sie die Spannung zwischen Pin 87a und 86. Beträgt die Spannung 12V,
ist das Relais in Ordnung. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais.
5.1.2. Relais – Mikro ISO
Anschlussbilder
Schaltbilder
Schließer Wechsler
Gegenüberstellung der Klemmenbezeichnungen
Mikrorelais Kleinrelais Polung
1 86 +
2 85 -
3 30 +
4 87a
5 87
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Sensoren und Aktoren
Bauteilprüfung (keine Spannung liegt an)
Zu prüfen
Magnetspule
Kontakt
Magnetspule - Kontakt
Ohmmeter mit folgenden
Anschlüssen verbinden
Relais ist in Ordnung, wenn
1 und 2 50 – 100 Ohm
3 und 4 Stromkreis geschlossen
3 und 5 Stromkreis offen
1 und 3 Stromkreis offen
1 und 4 Stromkreis offen
1 und 5 Stromkreis offen
Bauteilprüfung (Spannung liegt an)
Stecken Sie das Ohmmeter ab; verbinden Sie Pin 2 und 3 mit einer 12 V Gleichspannungsquelle und
Pin 1 mit Masse. Messen Sie die Spannung zwischen Pin 5 und Pin 1. Beträgt die Spannung 12 V,
setzen Sie die Prüfung fort. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais. Trennen Sie Pin 2 von der Spannungsquelle
und messen Sie die Spannung zwischen Pin 4 und Pin1. Beträgt die Spannung 12V, ist
das Relais in Ordnung. Wenn nicht, erneuern Sie das Relais.
5.2. Messen von Sensoren und Aktoren
• Sensorsignale prüft man am besten dort, wo sie benötigt werden und zwar am Steuergerät. Erhält
man dort das richtige Signal, besteht Gewissheit, dass nicht nur der Geber, sondern auch
die Verkabelung zum Steuergerät einwandfrei ist.
• Es ist üblich die Signale mit einem Buchsenkasten abzugreifen, dessen Y-Kabel zwischen
Steuergerät und Steuergerätestecker befestigt ist. Steht keine Prüfbox (Break-out-box) zur Verfügung,
erfolgt die Messung direkt am Sensor oder man verschafft sich einen Zugang zu der
Rückseite des Steckers.
5.2.1. Drosselklappenpotentiometer mit dem Oszilloskop prüfen
Bei eingeschalteter Zündung das Gaspedal
einmal bis zum Anschlag durchtreten und
wieder loslassen (rote Messleitung am Gebersignal
und die schwarze Messleitung an der
Gebermasse anklemmen). Dabei soll sich eine
Kurve aufbauen wie im nebenstehenden Bild.
Ist der Verlauf wie im nebenstehenden Bild mit
Störspitzen überlagert oder erscheinen nach
unten gerichtete Einbrüche, ist das Drosselklappenpotentiometer
defekt.
Diagnosetechnik im Kfz-Bereich 11

5 2.2. Induktiver Drehzahl- und Bezugsmarkengeber mit dem Oszilloskop prüfen
Sensoren und Aktoren
Bei ausgeschalteter Zündung beide Messleitungen
am Sensor anschließen. Gemessen
wird bei Starterdrehzahl. Das ergibt ein Oszillogramm
wie im nebenstehenden Bild.
Die Spannungsspitze und der breite Abstand in
der Zeitachse entstehen durch die Zahnlücke
am Kurbelwellenrad. Die Signalform sollte
gleichförmig sein.
5.2.3. Einspritzsignal mit dem Oszilloskop prüfen
Charakteristisch beim überprüfen des Einspritzventils
ist die Spannungsspitze. Die Überprüfung
erfolgt, indem man die rote Messleitung
an den Anschlussstecker des Einspritzventils
(Massegesteuerten Seite) anschließt. Die
schwarze Messleitung wird an Masse angeschlossen.
Bei warmen Motor und im Leerlauf erscheint
etwa die Sollkurve wie im nebenstehenden Bild.
Ist bei dieser Betriebssituation die Einspritzzeit
deutlich zu lang (>4,5 ms), so kann beispielsweise
das Luft/Kraftstoff-Gemisch zu fett sein.
Eine Prüfung des Lambda-Sondensignals und
gegebenenfalls der Motorsteuerung ist erforderlich.
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