Onderwerpen:
- Potentiometer
- Weerstandsverloop
- Signaalspanning
- Spanningsdeler
- Potentiometer voor de spiegelverstelling
- Potentiometers voor de gasklepstelmotor
Potentiometer:
Een potentiometer wordt ook wel een potmeter of hoekverdraaiingssensor genoemd en wordt in de autotechniek vaak gebruikt als positiesensor van bijvoorbeeld het gaspedaal, de gasklep of voor het tankniveau. De loper (sleepcontact) beweegt door middel van een verstelbaar deel over de koolstofbaan heen, waar een weerstandverandering door wordt verkregen en daarmee de positie kan worden bepaald. De onderstaande drie afbeeldingen tonen een werkelijke potmeter, de onderdelen in een potmeter en het symbool van een potmeter.
De weerstand van de signaal-aansluiting verandert wanneer de loper naar een andere positie op de koolstofbaan wordt verdraaid. Een regelapparaat kan echter geen weerstand “lezen”. Een regelapparaat schakelt een referentiespanning van 5 volt en een massa op de twee buitenste aansluitingen van de potentiometer. Doordat er nu stroom door de koolstofbaan vloeit, wordt de spanning van 5 volt in de koolstofbaan verbruikt. Op de ingang heerste en spanning van 5 volt en op de uitgang 0 volt. Halverwege de koolstofbaan is de helft van de spanning verbruikt: hier bedraagt de spanning dan ook de helft van de referentiespanning, namelijk 2,5 volt. De spanning die via de loper en de signaalaansluiting naar het regelapparaat wordt gezonden, geeft het regelapparaat voldoende informatie om de positie op de graad nauwkeurig te bepalen. Dit wordt o.a. gebruikt voor de gaspedaal- en gaskleppositiesensoren.
De spanning van 5 volt is een veelgebruikte waarde, omdat de boordspanning tijdens alle bedrijfsomstandigheden boven de 5 volt blijft. Op het moment dat belangrijke sensoren met een spanning van 12 volt zouden werken, dan zouden ze tijdens het starten van de motor in storing kunnen gaan: de startspanning in de winter met een matige accu kan dalen naar 10 volt.
Een andere mogelijkheid is dat de potentiometer een spanning verzorgt voor een elektrische schakeling met bijv. een opamp, zoals bij de koplampverstelling. In dat geval werkt de potentiometer met een spanning van 12 tot 14 volt.
De potentiometer kan vaak een slag van 270 graden maken. We gaan hier uit van een potmeter met een lineair verloop. De animatie toont de uitgangsspanning bij zeven verschillende posities van de loper:
- 0 graden: 0 volt
- 45 graden: 0,8 volt
- 90 graden: 1,7 volt
- 135 graden: 2,5 volt
- 180 graden: 3,3 volt
- 225 graden: 4,2 volt
- 270 graden: 5 volt
In werkelijkheid verandert de uitgangsspanning bij iedere graad verdraaiing van de loper over de koolstofbaan:
- De totale slag is 270 graden;
- De weerstand bedraagt 10 kΩ (10.000 Ω)
- Bij iedere graad verdraaiing verandert de weerstand met 37 Ω
- De spanning verandert bij iedere graad verdraaiing met 18,5 mV (0,0185 V).
In de bovenstaande animatie zien we dat bij 0% verdraaiing de signaalspanning 0 volt en bij 100% 5 volt bedraagt. Dit kan echter ook andersom zijn: 0% verdraaiing 5 volt en 100% 0 volt.
Weerstandsverloop:
Bij een liniaire potmeter komt elke graad hoekverdraaiing overeen met een bepaalde vaste waarde. Bijvoorbeeld een 270 Ω potmeter die een slag kan maken van 270° geeft 1 Ω weerstandverschil per graad verdraaiing. Bij een logaritmische potmeter verloopt de weerstandverandering niet recht evenredig maar progressief.
In de volgende afbeelding zien we het lineaire verloop (rood) van de potmeter in de vorige paragraaf. Daarnaast is van het andere type potmeter ook het logaritmische verloop (groen) te zien. De logaritmische potmeter worden voornamelijk gebruikt om natuurkundige processen na te bootsen.
De signaalspanning van deze potentiometers verloopt evenredig met de weerstand.
Signaalspanning:
De potentiometer is op de volgende manier geschakeld:
- Voedingsspanning van 5 volt vanuit het regelapparaat;
- Massa van 0 volt via het regelapparaat;
- De loper geeft de analoge spanning van 0 tot 5 volt door naar de signaalaansluiting van het regelapparaat.
Het werkgebied van de potentiometer ligt tussen de 0,5 en 4,5 volt. Fabrikanten kunnen ook voor andere uiterste waardes kiezen, bijvoorbeeld: 0,4 tot 4,6 volt. Het signaal van de potentiometer mag nooit buiten dit werkgebied komen. Als het regelapparaat detecteert dat de signaalspanning in het verboden gebied terecht komt, wordt dit als foutief herkend en slaat hij een foutcode op.
- Signaalspanning 5 volt: duidt op een onderbroken massadraad of plussluiting;
- Signaalspanning 0 volt: duidt op een onderbroken voedingsdraad of massasluiting.
Om de betrouwbaarheid van het signaal te garanderen, wordt bij een gaspedaal of een gasklep een dubbele potentiometer gebruikt. De signalen kunnen ten opzichte van elkaar verticaal gespiegeld zijn (zoals in de afbeelding), of evenredig op een andere spanningshoogte. Ze mogen in ieder geval niet gelijk aan elkaar zijn. De ECU vergelijkt de signaalspanningen.
Op het moment dat de ECU op één van de twee potentiometers een signaal detecteert dat onwerkelijk is (spikes, of het signaal belandt in het verboden gebied) gaat hij in de zogenaamde noodloop en gebruikt hij het tweede signaal.
Op de pagina: gaspedaal en gasklep wordt uitgebreid ingegaan op de toepassing van de potentiometer, waaronder “throttle by wire” en scoopbeelden signalen met fouten.
Zie ook: sensortypes en signalen.
Spanningsdeler:
Een serieschakeling die bestaat uit weerstanden gedraagt zich als spanningsdeler. De voedingsspanning wordt verdeelt over de weerstanden in deze serieschakeling resp. spanningsdeler. De kleinste weerstand heeft de kleinste spanningsval en de grootste weerstand de grootste spanningsval.
De onderstaande afbeeldingen tonen de potentiometer in werkelijke situatie en in schematische weergave, welke is aangesloten op een spanningsbron van 12 volt. De loper van de potentiometer staat halverwege. In de middelste afbeelding zien we de potentiometer in schemavorm. Rechts zien we de spanningsdeler met twee losse weerstanden met tussenin aansluiting 3. De drie schema’s zijn equivalent aan elkaar.
Omdat de potentiometer een vaste weerstandswaarde heeft, is de som van de weerstanden (R1 + R2) gelijk aan de totale weerstand. De verplaatsing van de loper zorgt voor een weerstandsverandering van R1 en R2 (rechter schema). De uitgangsspanning op pin 3 is hoog, als de loper bovenin staat en de weerstandswaarde R1 klein is.
Potentiometer voor de spiegelverstelling:
Twee elektromotoren zorgen voor horizontale en verticale verstelmogelijkheden van het spiegelglas. Bij moderne voertuigen vindt de aansturing plaats via een regelapparaat. In het onderstaande schema zien we dit regelapparaat (J386). Het regelapparaat stuurt de stelmotor aan zodra:
- de bestuurder de knop voor de spiegelverstelling bedient, of:
- er naar de achteruitversnelling wordt geschakeld en een spiegelglas naar beneden moet worden gericht (meestal degene aan de bijrijderszijde);
- door de geheugenfunctie op een andere gewenste positie moet worden gezet. Meestal wordt dit aan de hand van de sleutel(afstandbediening) geïdentificeerd;
- de monteur via een actuatortest d.m.v. een uitleescomputer de stelmotor aanstuurt.
Om het spiegelglas in de gewenste positie te krijgen, is het nodig om de positie van het spiegelglas te herkennen. De potentiometers G791 en G792 sturen het signaal via de grijs/gele en blauw/rode draden naar het regelapparaat. Op het moment dat de spiegelposities van twee verschillende bestuurders op hun eigen sleutelnummer zijn opgeslagen, verstelt de stelmotor naar de juiste stand zodra de desbetreffende bestuurder de portieren met de afstandbediening ontgrendeld. Naast de juiste spiegelglasposities worden meestal ook (indien aanwezig) de elektrische stuurkolomverstelling en stoelpositieverstelling in de ingestelde stand gezet. Op de pagina: buitenspiegels en spiegelverstelling worden de aanstuurmethoden van de spiegelstelmotoren beschreven.
Legenda:
- J386: portierregelapparaat;
- V17: motor voor horizontale spiegelglasverstelling;
- G791: potentiometer horizontale spiegelglasverstelling;
- G792: potentiometer verticale spiegelglasverstelling;
- V149: motor voor verticale spiegelverstelling;
- V121: motor spiegelwegklapfunctie;
- Z4: spiegelverwarmingselement;
- L131: lampen knipperlicht in buitenspiegelbehuizing.
In het bovenstaande elektroschema is tevens elektromotor V121 (spiegelwegklapfunctie) te zien. Omdat er voor de wegklapfunctie geen tussenstanden nodig zijn, is een terugkoppeling van een positiesensor niet nodig. De spiegels zijn immers óf uitgeklapt, óf ingeklapt. Bij het bereiken van de eindstand neemt de stroomsterkte van de elektromotor toe, waardoor de ECU “herkent” dat de eindstand is bereikt en daarmee de aansturing beeïndigd.
Potentiometers voor de gasklepstelmotor:
Op deze pagina is de potentiometer van de gasklepstelmotor al vaker als voorbeeld gebruikt. Het volgende schema toont de stelmotor (links) en de twee potentiometers met gemeenschappelijke voeding en massa en twee signaalaansluitingen (rechts). De signaalaansluitingen (pin 4 en 5 in de stekker van de potentiometer) geven signalen met een verschil in spanningsverloop:
- het verloop is lineair op een andere spanningshoogte, waarbij de spanningen gelijktijdig stijgen en dalen, of;
- de signaalspanningen zijn tegengesteld aan elkaar.
In de onderstaande drie afbeeldingen zijn drie metingen aan de gaskleppositiesensoren en hun gezamenlijke voeding en massa te zien. De voedingsspanning bedraagt wederom 5 volt en de signaalspanningen zijn binnen de tolerenties.
In het geval van een storing kan de hoogte van de signaalspanning afwijken. Er zijn twee situaties mogelijk:
- Eén van de signaaldraden bevat een storing. Omdat de ECU de twee signaalspanningen met elkaar vergelijkt, herkent hij dit foutieve signaal en gaat hij in noodloop. Dit gaat gepaard met een brandend motormanagementlampje en eventueel een gereduceerd motorvermogen;
- De voeding- of massadraad bevat een overgangsweerstand: in dit geval is er sprake van spanningsverlies over de desbetreffende draad, waardoor beide potentiometers een te laag signaal afgeven. Omdat de signaalspanningen met elkaar worden vergeleken en ze ten opzichte van elkaar niet afwijken, wordt dit door de ECU niet herkend. De te lage signaalspanningen worden door de ECU geaccepteerd en resulteert in het verkeerd aansturen van de gasklep. De ECU blijft de stelmotor van de gasklep namelijk net zo lang aansturen tot dat de gewenste stand is bereikt. Hier kunnen vervolgstoringen door ontstaan in sensoren en actuatoren die met de luchttoevoer te maken hebben door een te arm mengsel (positieve fuel trim), storingen in het lambdacircuit, storingen m.b.t. de MAP-sensor of de EGR.
De storing in de bovenstaande situatie kan worden verholpen door de massadraad tussen pin B85 van de stekker op de ECU en pin 1 van de stekker op de gasklep te vervangen.