9789140691330 by Smakprov Media AB

Personbilsteknik

Elsystem, komponenter och nätverksteknik Fakta

Elsystem, komponenter och nätverksteknik

Sven Larsson Anders Ohlsson

Fakta

AVD. 3 Elsystem, komponenter och nätverksteknik – Fakta Avd.3

Teknikutvecklingen inom fordonsbranschen går snabbt. Det innebär att en bra grundutbildning är en mycket viktig faktor för att framgångsrikt kunna arbeta och utvecklas som fordonstekniker. Serien Personbilsteknik präglas av att böckerna ger både teoretiska baskunskaper och förklarar hur modern teknik tillämpas i fordon. Serien Personbilsteknik ger förutsättningar för både grundutbildning och vidareutbildning genom att utförligt beskriva och förklara tekniska grundbegrepp och principer samt konstruktionslösningar i fordonens olika system. Elsystem, komponenter och nätverksteknik är en av tre faktaböcker i serien Personbilsteknik. De andra böckerna är: • Motor och kraftöverföring, avd. 2 och 4 • Bromsar, chassi och kaross, avd. 5, 6, 7 och 8 Sensor- och aktuatorteknik utvecklas ständigt. Allt fler datorstyrda system byggs in i fordon och befintliga system utvecklas. Denna bok ger en gedigen grund för förståelse av grundläggande ellära, principerna för praktisk tillämpning av elektricitet och mätteknik i fordon. Speciella avsnitt redogör för de olika delsystemen i personbilens elsystem, sensor- och aktuatorteknik samt diagnos- och felsökning.

ISBN 978-91-40-69133-0

789140 691330

Avd. 3

Innehåll Elsäkerhet och arbetsmiljö Spänningen gör strömmen farlig Risker med batterier

7 8

1 Utvecklingen av el- och styrsystem 9

Från mekanik till elektronik 9 Styrning och reglering 10 Systemteknik 10 Ett styrsystem – Singelsystem 11 Nätverk av styrenheter 12 Kunskap och kompetens allt viktigare 12 Vad är en förbrukare i ett elsystem? 13

2 Grundläggande ellära Elektrisk spänning

14 14

Spänningsfall 15 Spänning kan skapas på olika sätt 15 Likspänning - växelspänning 16 Elektrisk ström 16 Elektriska strömmens riktning 17 Strömmens ”kretslopp” 17 Likström och växelström 18

Resistans 19 Resistans och temperatur

Ledare, halvledare och isolatorer Ström, spänning och resistans samverkar Liknelsen med vattensystem Tävlingen Ohms lag

20 21

21 21 22

Spänningsdelning 23 Effekt 25 Effekt och ledningsarea 25

Märkeffekt 26 Effektförlust 27

Ohms lag och Effektlagen 28 Kopplingssätt 29

Ersättningsresistans 29 Seriekoppling av aktuatorer 30 Parallellkoppling av aktuatorer 31 Jämförelse mellan olika kopplingssätt 33 Några vanliga elfel 35

3 Tillämpad ellära Elströmmens verkningar

Elströmmens värmeverkan Elströmmens magnetiska verkan

Magneter och magnetism

36 36

36 37

Permanentmagneter 39 Spole – Elektromagnet 40

Induktion 42 Elmotorer 48 Synkron AC-motor 52

4 Mätteknik

Effektivvärde – RMS PWM – Effektivvärde

54 55

Multimetern 56 Mäta spänning 57 Inställning för spänningsmätning

Mäta ström

Mäta resistans

Inställning för strömmätning 59 Diodtest 61 Strömtång 61 Inställning för resistansmätning 62 Några exempel på resistansmätning 63 Kortslutning i värmesits 64 Överledning till jord i värmesits 65 Övergångsresistans 66

Oscilloskop 67 Mäta med oscilloskop Kurvformer och storheter Vad visas på skärmen? Två avgörande oscilloskopinställningar Två eller flera kanaler Spela in mätningar

68 69 71 71 72 72

5 Elektronik-komponenter Skydda känslig elektronik

Kondensatorer 74

Användning av kondensatorer 75 Superkondensatorer 76

Resistorer 76

Användning av resistorer 77 Potentiometer 78 Reostat 79 RC-krets 79

Halvledare 81

Termistorer 81 Ljuskänslig resistor LDR 83 Dioder 83 Likriktning 84 Klippdiod 85 Lysdiod LED 85 Zenerdiod 86 Transistorer 87 Fälteffekttransistorn - FET 89

Digitalteknik 90 Logiska funktioner

Signaler 92

Digitalisering av signaler 92 Transistorvippor 94

6 Styrenheten och nätverksteknik 96 Styrenheten 96

Transceivern 97 Styrprogram 98 Mappar 99 Komponentidentitet 100 Sleep mode 100

Nätverksteknik 100

Seriell kommunikation 101 Protokoll 102 Nätverkstyper 102 Fysiska nätverket 105 EOBD European On-Board Diagnostics 107 LIN 108 CAN 108 CAN HS och CAN LS 110 Kommunikationen i CAN 112 Arbitrering 113 Fel i meddelande 113 Hårdtrådning 113 FlexRay 114 Partiella nätverk 114 MOST 115

Felsökning av databussar

Fel i CAN Low Speed Felsökning i CAN High Speed Felsökning på LIN-buss

Trådlös kommunikation

116

117 120 122

123

Bluetooth 123

Telematik 123

7 Sensorer

125

Sensortyper 125 Vad mäter sensorer? 126

Strömställare 126 Resistiva sensorer 127

Potentiometern 127 Temperatursensorer 128

Magnetoresistiva sensorer GMR

Varvtals- och positionssensor GMR Vridmomentsensor GMR

Induktiva givare

129

129 130

130

Rotationssensor 131 Mätning 131

Hallgivare 132 Riktningskänslig varvtalsgivare

Kapacitiva sensorer

Sidoaccelerations- och girvinkelsensor Sensor för oljekvalitet

Piezoelement som sensor

Tryck- och töjningssensorer

Optiska sensorer

133

133 134

134

135

136

Regnsensor 136 Smutssensor 136 Ljussensor 136 Solsensor 137 Lasersensor 137 Lidar 137

Kamera 138

Stereokamera 138 Nattkamera 138

Radar 139 Elektrokemiska sensorer 139

Mätning av utandningsluft 139 Sensor luftföroreningar 140 Syresensor 140 Smalbandssensorer 141 Bredbandssensorn 142 Luftmassensor 143 Tändstift 144

8 Aktuatorer Elektromagnetisk verkan

145 145

Elektromagneter 145 Elmotorer 146

Värmeverkan 147 Piezoverkan 147 Hur aktuatorer aktiveras 148 Direktstyrd funktion Direktstyrd funktion med PWM Relästyrd funktion Nätverksstyrd funktion

149 149 150 150

9 Ledningar, säkringar och dokumentation 151 Ledningar – Kablar

153

En- och tvåledarsystem 153 Jordningspunkter 154

Säkringar 157 Pyroteknisk säkerhetsbrytare Felsökning av säkring Byte av säkring

158 159 159

Strömställare 160 Reläer 160

Elektromekaniskt relä 161 Halvledarrelä 161 Manövermagnet 162

Anslutningar, kabelskor, kontaktstycken och ledningsreparationer 162

Kontaktpressning, verktyg och utförande 164

Kopplingsscheman 165

Vilken information finns i elschemat? 167 Funktionsschema 172

10 Belysning

173

Strålkastare 173

Huvudstrålkastare 173 Ljusbilder, ljusfunktioner 174 Varselljus 175 Ljuslängdsreglering 177 Ljusinställning 177 Ljuskällor – lampor 177

Glödtrådsvakt 182 Ljusteknik 183 Siktsträckor vid mörkerkörning Några storheter

11 Startsystem Startmotorer

183 184

185 186

Startmotorns funktion 187 Frihjul 189 Kombinerad startmotor och generator 189 ”Normalt placerad” ISG 189

Startspärr – Immobilizer

189

Start-stopp-automatik 190

12 Batterier och laddningssystem 191 Batterielektroder Energitäthet och laddningstid Batterier och laddningssystem

Miljö och säkerhet

191 191 192

192

Ett avskräckande exempel 193 Vad är en kortslutning? 193 Miljö 194

Blyackumulatorer 194

Kemisk energi 194 Seriekopplade celler 195 Öppna batterier 196

Slutna batterier

196

Självurladdning 198 Demontering av batteri 198 Montering av batteri 198 Startkablar 199 Laddning och underhåll av blyackumulatorer 199 Laddningsmetoder 200 Djupurladdat batteri 201 Provning, kontroll, av blyackumulatorer 201 Temperatur påverkar batterier 202 Sulfatering 203 Belastningsprov 203

Serie- och parallellkoppling av batterier 204 Generatorn 205

Generatorspänning 207 Generatorns laddningsström 208 Energiåtervinning vid motorbromsning 208 Felsökning och laddningskontroll 209 Mätinstrument vid laddningsprov 209

Några vanliga batteritermer i alfabetisk ordning 210 Batterier och laddning i högvoltssystem 211 Elmaskin med flera funktioner

Batterier för eldrift

Begreppet SOC Nickelmetallhydrid NiMH Litium-jon Litium-jon polymer

211

212 212 212 213

Volvo V60 laddhybrid

213

Laddning via elnätet

215

Högvoltsbatteriet 213 Kombinerad startmotor och generator, ISG 213 Kombinerad elmotor och generator, ERAD 214 Inverter 215 DCDC-konverter 215 Nätladdare 215 Övervakning, styrning av laddningen 216 Säkerhet 216 Olika typer av laddning 216 Laddutrustning och -metod 217 Induktionsladdning 218

13 Signal- och varningssystem

219

Signalhorn 219 Körriktningsvisare och varningsblinkers 221 Dimbakljus 225 Varselljus 225 Bromsljus – Stoppljus 226

14 Förarassistanssystem Avancerad förarassistans – ADAS Nivåer av automatisering

228 228

228

Bromsassistans 230

Bromsassistans reaktionssträcka 230 Bromsassistans bromssträcka 230 ABS 230

Stabilitets- och antislirassistans

230

Stabilitetsassistans 230 Slirkontroll 231

Parkeringsassistans 231

Avståndsmätning 231 Backkamera 231 Avancerad parkeringsassistans 232 Omgivningsvisning 232

Trötthetsvarning 233 Filhållningsassistans 233 Utökad filhållningsassistans

234

Filbytesassistans 234 Farthållare 235

Automatisk distansreglering 235 Kökörning 236

Helljusassistans 236 Adaptiv ljusreglering

236

Trafikmärkesinformation 237 Head-Up-Display 237 Alkolås 238

15 Diagnossystem och felsökning 239 Hur ett fel blir en felkod

Exempel sensorsignal Varning till föraren MIL och felkoder Filtrering av felkoder Exempel på hur motorstyrsystemet hanterar tändmissar

OBD On Board Diagnostics

EOBD Felkoder OBD-uttag och kontakt Inkoppling av diagnosinstrument Break Out Box Mätning på CAN-bussen

MEKO Diagnostic CDP+ CARS

240

240 241 241 242 242

243

244 246 247 247 248 249

250

EOBD 253 Läsa felkoder 254 Realtidsparameterar 254 Graf 255 Bilinformation 255 Läs information med telefon eller datorplatta 255

Felsökningsstrategi 257

16 Övriga system Elanslutningar för draganordning Eluppvärmda stolar Eluppvärmda rutor och backspeglar Elektriska fönsterhissar Infotainment

258 258 259 260 260 261

Bilagor

262

266

Schemasymboler 263 Boschbeteckningar 264 Omvandlingstabell för CCA-värden mellan olika normer 265 Elektrolytens densitet 265 Färgmärkning av säkringar 265 Färger för ledningar, kablar 265

2 Grundläggande ellära Detta kapitel innehåller beskrivningar och förklaringar av de viktigaste storheterna och de mest grundläggande funktionerna inom ellära. • Elektrisk spänning uppstår mellan två olika punkter när de har olika elektrisk potential. Spänning är förutsättningen och drivkraften för ström. Storheten spänning betecknas U och mäts i enheten volt. • Elektrisk ström är ett flöde av negativt laddade elektroner. Storheten ström betecknas I och mäts i enheten ampere. • Resistans är det motstånd elektrisk ström möter. Storheten resistans betecknas R och mäts i enheten ohm. • Effekt är ett mått på det arbete elektricitet uträttar under en viss tid. Storheten effekt betecknas P och mäts i enheten watt.

Elektrisk spänning Elektrisk spänning kan liknas vid en kraft eller ett tryck som sätter fart på, ger drivkraft åt, den elektriska strömmen. Elektrisk spänning uppstår när två punkter har olika elektrisk potential. Därför används också ordet potentialskillnad. Eftersom spänning är en ”skillnad” mellan två punkter mäts spänning mellan två mätpunkter. Storheten spänningen betecknas med bokstaven U och mäts i enheten volt som skrivs V.

En fysikalisk grundlag säger att potentialskillnader alltid söker en utjämning. Det är denna ”drift” till utjämning som vi kallar spänning och som kan driva elektrisk ström. När ett batteri, en ackumulator, laddas förs elektroner från batteriets pluspol till dess minuspol av generatorn. Atomernas elektroner har en elektrisk laddning, en minusladdning, och därför blir den pol som har flest minusladdningar minuspol. Pluspolen får ett underskott av minusladdningar och blir därför positiv jämfört med minuspolen. Spänningen mellan polerna finns kvar under lång tid, om inte batteriets poler ansluts till en krets med en aktuator, exempelvis en lampa. När ett batteri driver en aktuator kommer potentialskillnaden, spänningen, mellan batteripolerna efterhand att utjämnas. Spänningen sjunker. När potentialskillnaden mellan batteriets poler är helt utjämnad kan inte längre någon elektrisk ström drivas i kretsen.

Elektrisk spänning liknas ofta med trycket i en vattenledning. Det är trycket i ledningssystemet som pressar ut vattnet till kranarna. Desto större höjdskillnad mellan vattennivån i vattentornet och kranen, desto högre tryck. Höjdskillnaden som skapar trycket motsvarar i jämförelsen den elektriska potentialskillnad som driver ström.

Tryck → spänning

Fakta Beteckningen för spänning U kommer från det tyska ordet unterschied som betyder skillnad.

Staplarna på batteripolerna symboliserar potentialskillnaden, spänningen. När kretsen sluts av strömställaren driver batterispänningen elektroner genom ledningarna och lampan. Det flyter en elektrisk ström i lampkretsen och lampan lyser. Efterhand utjämnas potentialskillnaden mellan batteriets poler, spänningen sjunker, och lampan lyser allt svagare. När potentialskillnaden är för liten, spänningen för låg, kan inte längre någon elektrisk ström flyta och lampan slocknar.

Spänningsfall Man kan se spänning som lagrad elektrisk energi som kan omvandlas till andra typer av energi som värmeenergi, rörelseenergi m.m. När spänningen omvandlas till andra energiformer faller spänningen. Det finns alltså ett samband mellan spänningsfall och den effekt en aktuator utvecklar. För att spänningen ska falla måste kretsen vara ”igång”, det måste med andra ord flyta en ström i kretsen för att det ska uppstå ett spänningsfall. När ström går genom en aktuator och effekt utvecklas, faller spänningen mätt över en aktuator. Detta är ett önskat spänningsfall, eftersom spänningen och strömmen här uträttar det arbete vi vill att den ska göra. Tillförd spänning Oönskat spänningsfall Men på samma sätt kan spänningen falla på ”fel ställen”, exempelvis när strömmen är på väg till och 12 V 2V från aktuatorn i ledningar, kontaktstycken, genom chassit m.m. Detta är ett oönskat spänningsfall, eftersom spänningen och strömmen inte uträttar det arbete vi önskar. Ett oönskat spänningsfall kan innebära att en aktuator får tillgång till en lägre spänning än den behöver för att uträtta det arbete vi vill att den ska göra.

Önskat spänningsfall 10 V

I en lampkrets ska i princip all tillförd spänning falla över lampan som då kan omvandla den elektriska energin till värmeenergi. Ett önskat spänningsfall. I bilden är strömställarens kontakter dåliga. Två volt faller mätt över den och den blir varm. Här uträttar spänningsfallet ett oönskat arbete, detta är ett oönskat spänningsfall.

Spänning kan skapas på olika sätt

En generator skapar spänning genom s.k. induktion där magnetfält i rörelse skapar en elektrisk spänning i ledare. Den kraft som driver generatorn kommer vanligen från förbränningsmotorn som omvandlar kemisk energi i bränslet till mekanisk rörelseenergi. Spänningen som induceras av generatorn driver de flesta aktuatorerna i fordonet, samt laddar batteriet. Ett annat sätt att omvandla mekaniskt arbete till elektrisk spänning är att genom arbete, kraft, påverka material som har piezoegenskaper. En bränslecell omvandlar vätgas i en kemisk reaktion helt utan några mekaniska rörliga delar till elektrisk spänning. I solceller omvandlas solstrålarnas energi fotoelektriskt till elektrisk spänning. Det är inte så vanligt för framdrivning av fordon ännu, men tekniken utvecklas. Exempelvis batterier i båtar och husbilar kan laddas på detta sätt när förbränningsmotorn står stilla.

Generator. Bild Robert Bosch AB.

Solceller kan ladda batterier. Bild iStock.

Statisk spänning uppstår när två material skiljs åt efter en kontakt, verkan blir än starkare om ytorna gnids mot varandra. Elektroner dras olika starkt till olika material. Det som händer är att det ena materialet ”samlar upp” elektroner, medan det andra materialet lämnar från sig elektroner. Resultatet blir en skillnad i elektrisk laddning mellan materialen, en potentialskillnad. Ett vanligt exempel på statisk spänning är när en plastkam dras genom torrt nytvättat hår. Eftersom olika laddningar dras mot varandra dras håret mot kammen om man håller den i närheten av håret. Statisk spänning kan bli mycket hög, en snabb utjämning av laddningar mellan två ytor kallas elektrostatisk urladdning, eng. electrostatic discharge, ESD. ESD är en av de vanligaste skadeorsakerna av elektronikkomponenter. Särskilt känsliga är exempelvis integrerade kretsar, IC-kretsar, och lysdioder, LED.

Likspänning - växelspänning

Den spänning som finns mellan ett batteris poler är en likspänning. Den växlar aldrig polaritet. Den spänning som finns i våra eluttag är en växelspänning som växlar polaritet 100 gånger per sekund. Likspänning brukar betecknas DC, Direct Current. C:t i förkortningen står för ”current”, ström. Den korrekta engelska beteckningen är DV, Direct Voltage. På samma sätt skrivs oftast växelspänning AC, Alternating Current. Här finns också en mer korrekt beteckning AV. Alternating Voltage. I boken kommer vi dock att använda DC och AC eftersom det är de vanligaste beteckningarna. Spänning U + Positiv polaritet pluspol 0V Negativ polaritet minuspol

Spänning U + Positiv polaritet pluspol 0V

– Tid

Negativ polaritet minuspol

– Tid

Spänning U

Elektrisk ström

I material som kan leda elektrisk ström, ledare, finns s.k. fria elektroner som hela tiden ”hoppar och studsar” runt mellan olika atomer utan att ha någon bestämd riktning. I detta läge flyter ingen elektrisk ström. Storheten ström betecknas med bokstaven I och mäts i enheten ampere som skrivs A.

Fakta Beteckningen för ström I kommer från det franska uttrycket ”intensité de courant”.

Men när elektroner, med hjälp av elektrisk spänning, sätts i rörelse i en bestämd riktning, uppstår det som vi kallar elektrisk ström. Elektronerna drivs åt samma håll.

Vattenflöde → ström I I bilden till vänster är ledaren inte ansluten till batteriet. De fria elektronerna rör sig planlöst i ledaren. I högra bilden ansluts spänningskällan och elektroner sätts i rörelse. Nu flyter det vi kallar elektrisk ström i ledaren. Lägg märke till att elektronerna är märkta med ett minustecken. De är negativt laddade.

Elektrisk ström liknas ofta med flödet i en vattenledning.

Elektriska strömmens riktning

Elektrisk ström utforskades och användes långt innan elektronerna upptäcktes. Tidigt bestämdes att elektrisk ström rör sig från plus- till minuspol. Numera vet vi att det som rör sig i en ledare är elektroner, och de går från minuspol till pluspol. Trots detta finns ingen anledning att förändra den teoretiska strömriktningen, alla beräkningar fungerar ändå. Det vi kallar elektrisk ström går alltså fortfarande från plus- till minuspol. I scheman markeras spänning med en öppen pil som visar spänningens polaritet och ström med en sluten pil. Elektronriktning Strömriktning

12 V U 12 V

U +

Ingen ström går genom kretsen. Kretsen är bruten av strömställaren. I ledaren rör sig elektronerna planlöst i alla riktningar.

Strömmens ”kretslopp”

Kretsen är sluten av strömställaren. I ledaren rör sig elektronerna nu i samma riktning. Elektronerna går från minuspol till pluspol.

I elsystemen ingår spänningskällor och aktuatorer. Elektrisk ström är ett utmärkt exempel på ”återvinning”. I en elektrisk krets finns en spänningskälla som ”ger kraft åt” strömmen och någon typ av aktuator som ”tar kraften ur” strömmen. När en spänningskälla och en aktuator är sammankopplade med ledare kan en elektrisk ström flyta i kretsen. Strömmen försvinner inte från kretsen, den finns kvar i ett ”kretslopp”. Strömmen fortsätter att flyta runt i kretsen tills spänningskällans ”drivkraft” är uttömd eller att kretsen bryts. När en aktuator som exempelvis startmotorn arbetar, levererar batteriet en ström till startmotorn som ”tar kraften ur strömmen”. Mäts spänningen över startmotorn så mäts ett spänningsfall, spänningen har omvandlats till ett arbete. En lika stor men ”kraftlös ström” fortsätter sedan åter till batteriet. För att inte batteriet ska laddas ur behöver det hjälp av en annan spänningskälla, en generator. Generatorn drivs oftast av fordonets förbränningsmotor. När generatorn laddar batteriet höjs spänningsnivån och batteriet kan sedan trycka ut ”kraftfull” ström med tillräckligt hög spänning för att driva aktuatorerna.

Strömmens riktning visas med de röda pilarna. Strömriktningen är från pluspol till minuspol.

Spänningskällan ”ger kraft åt” strömmen

Aktuatorn "tar kraft ur" strömmen. OBS! Strömmen som flyter till lampan är lika stor som den som flyter från lampan.

Generator och batteri är två spänningskällor medan startmotorn är en aktuator. Både strömmen genom startmotor och generator ingår i sina ”kretslopp”.

Likström och växelström

Vilken typ av ström vi får i en krets bestäms av spänningskällan. Det är helt enkelt så att en likspänning ger likström och en växelspänning ger växelström. Man skiljer alltså på två slags elektrisk ström, likström DC, Direct Current, och växelström AC, Alternating Current. Likström rör sig alltid i samma riktning, medan växelström ständigt växlar riktning. Likspänning kan omformas till växelspänning och växelspänning kan likriktas till likspänning. När man vill visa skillnaden mellan lik- och växelspänning är det vanligt att visa hur spänningarna visas på ett oscilloskop, mer om detta i senare avsnitt. Spänning U + Positiv polaritet pluspol 0V Negativ polaritet minuspol

Spänning U + Positiv polaritet pluspol 0V

– Tid

Negativ polaritet minuspol

Spänning U

– Tid

Strömriktning

Bilderna visar principen för hur lik- och växelspänning visas på ett oscilloskop. Likspänningen ändrar aldrig polaritet mellan plus och minus. Växelspänningen växlar ständigt polaritet, sett över tid.

Likström DC

I fordonens elsystem används huvudsakligen likström. Det finns en grundläggande orsak till detta, bilbatteriet är en blyackumulator. Alla nu kända typer av elektriska ackumulatorer kan endast lagra, ackumulera, likspänning. Bilbatteriet är alltså en likspänningskälla, pluspolen är alltid pluspol och minuspolen är alltid minuspol.

Spänning U +

Positiv polaritet 0V

Strömriktning Tid

I förstoringsglaset på bilden ser du att strömmen går i en riktning, och det gör den så länge det finns en spänning som kan driva den.

Växelström AC

För att skapa en växelström krävs en spänning som växlar polaritet med ett visst tidsintervall. Hur snabbt polariteten växlar kallas växelspänningens frekvens. I generatorer induceras, skapas, alltid växelspänning. Om vi bortser från att det inte är praktiskt möjligt kan man på ett enkelt sätt visa skillnaden mellan lik- och växelspänning. Vi tänker oss att vi skulle kunna växla kablarna på ett batteri så snabbt mellan polerna att vi fick en fungerande växelspänning.

Fakta DC används oftast för både likspänning och likström. Men den korrekta beteckningen för likspänning är DV Direct Voltage.

Denna växelspänning skulle driva elektronerna fram och tillbaka i ledaren i en växelström. För vissa aktuatorer har det inte någon betydelse om de drivs med lik- eller växelström. Traditionella glödlampor och värmeelement är exempel på sådana aktuatorer.

o.s.v. Spänning U +

Positiv polaritet pluspol 0V Negativ polaritet minuspol Spänning U

Strömriktning

Om det vore praktiskt möjligt att byta plats på kablarna vid batteriet tillräckligt snabbt skulle kretsen på bilden ”matas” med växelspänning. I kretsen skulle då riktningen på strömmen kastas om lika snabbt som vi skiftade kablarna mellan batteripolerna.

I landets kraftnät produceras växelström i stora generatorer. Därför får vi växelström ur vägguttagen i våra hus. Växelströmmen i Sverige växlar riktning med en frekvens av 50 hertz. Frekvensen 50 hertz innebär att strömmen växlar riktning 100 ggr per sekund vilket är 50 perioder per sekund. Se vidare i avsnittet om växelströmsgeneratorn. En växelspänning kan likriktas till likspänning med en likriktare. Likspänning kan omformas till växelspänning med en växelriktare. DC

Växelriktare

Likriktare

Likspänning kan omvandlas till växelspänning och växelspänning kan likriktas till likspänning.

Resistans Ibland användes tidigare ordet motstånd när man talade om resistans. Material som Motstånd mot vattenströmmen leder ström kallar vi för ledare, men även den bästa ledare ger ändå tyvärr elektronerna ett visst motstånd som hindrar, bromsar, den elektriska strömmen. Om det funnes ledare som saknade resistans skulle kablarna i t.ex. fordonen kunna vara betydligt tunnare. Storheten resistans betecknas med bokstaven R och mäts i enheten ohm som skrivs med den grekiska bokstaven omega Ω.

Resistans och temperatur

Det är viktigt att känna till att resistansen i ledare förändras när temperaturen ändras. När de flesta material som används som ledare värms upp ökar resistansen. Mäts resistansen i en varm glödlampa, är den väldigt mycket större än när lampan är kall.

Resistans liknas ibland med friktionen, motståndet, som ”bromsar” flödet i en vattenledning. Med kranen kan ”resistansen” ökas så att ”strömmen” minskas.

Fakta Prefix

När värdena för spänning, ström eller resistans är mycket stora eller små används prefix tillsammans med enheten. Prefix

Förkortn.

1 000 000

mega

megaohm

Exempel

Förkortn. MΩ

1 000

kilo

kilovolt

0,001

milli

milliampere

0,000 001

mikro

mikroohm

μΩ

Ledare, halvledare och isolatorer Alla material leder inte elektrisk ström. Vissa material leder bra, andra sämre eller så leder de inte alls. • Ledare är material som har många fria elektroner och som leder elektrisk ström. • Isolatorer är material som har få eller inga fria elektroner och inte leder elektrisk ström. • Halvledare leder elektrisk ström under vissa villkor. t.ex. beroende på viss temperatur, strömmens riktning, spänningens storlek, ljus eller andra villkor. Många halvledare kan alltså uppföra sig både som isolatorer eller ledare.

Koppar är en god ledare och det vanligaste materialet i ledningar i fordon. Olika plaster är exempel på isolatorer. Den vanligaste kombinationen av ledare och isolator är en ledning, kabel, med plasthölje och kopparledare. Halvledare används främst i elektronikkomponenter som dioder, transistorer m.fl. Grundämnet är oftast kisel som dopas med ämnen som: arsenik, fosfor, bor eller gallium. Beroende på dopningsämnet får halvledaren olika egenskaper. Isolator

Koppar Ledare Ledare NTC 4,7

Isolator

V17K

PTC 600

Halvledare

Resistans och resistivitet

Det finns många material som kan leda ström, men det är stor skillnad på deras ledningsförmåga. Storheten, begreppet, resistivitet anger olika materials egenskap att hindra strömmen. Ett materials resistivitet förändras med temperaturen. Resistiviteten bestäms av hur svårt det är för elektronerna att röra sig i materialet. Silver och koppar har atomer med många fria elektroner. De är därför mycket goda elektriska ledare och har en låg resistivitet.

Area

Plast

Diameter

Ström, spänning och resistans samverkar Elektricitet syns inte, men vi kan mäta och beräkna de tre storheterna: • Spänning U • Ström I • Resistans R

Dessa tre storheter samverkar och påverkar varandra. Det var detta samband som Georg Ohm upptäckte. År 1826 formulerade han den matematiska formel som kallas Ohms lag. Det kan i början vara lite svårt att göra sig en ”bild” av elektricitet. Det kan underlätta att jämföra storheterna med något som går att se och ta på.

Liknelsen med vattensystem

Ett sätt att göra de elektriska storheterna lättare ”gripbara” är att jämföra elektricitet med ett vattenledningssystem. Nivåskillnaden mellan vattenytan och utloppsröret ger ett tryck som kan jämföras med spänning U. Den halvöppna kranen, och i viss mån röret, bromsar flödet och kan jämföras med resistans R. Mängden vatten som flyter i röret under viss tid kan jämföras med elektrisk ström I. Hinder, motstånd → resistans R

Tävlingen

Man kan också likna sambandet mellan storheterna vid en tävling mellan spänning och resistans. Spänningen trycker på och resistansen bromsar, strömmen blir då ett resultat av hur tävlingen går.

Tryck → spänning

Vattenflöde → ström I

U och R tävlar. Spänningen U trycker fram strömmen I, resistansen R bromsar den. Strömmen I är resultatet av tävlingen. Sambandet kallas Ohms lag.

Ohms lag

Det finns alltså ett samband, en samverkan, mellan storheterna: spänning, ström och resistans. Sambandet kallas för Ohms lag och beskrivs av denna formel: U=I·R När man känner till två av storheterna kan alltid den tredje beräknas. Formeln kan skrivas på ytterligare två sätt. När man vill beräkna strömmen I och vet spänningen U och resistansen R, används formeln: U I= R Vill man beräkna resistansen R och vet spänningen U och strömmen I, används formeln: R=

U I

I bilderna nedan har siffrorna i Ohms lag för beräkning av strömmen I ersatts av staplar för att visa sambanden. Utgångsläge

Spänning Resistans

Förändring: öka spänningen

Ström

Spänning Resistans

Ström

Förändring: minska resistansen

Spänning Resistans

Ström

Vi kan öka strömmen på två sätt. Antingen höjs spänningen, eller så sänks resistansen.

Utgångsläge

Spänning Resistans

Förändring: minska spänningen

Ström

Spänning Resistans

Ström

Förändring: öka resistansen

Spänning Resistans

Ström

Vi kan minska strömmen på två sätt. Antingen sänks spänningen, eller så höjs resistansen.

Ett enkelt sätt att använda Ohms lag är att sätta upp den i en triangel och ”täcka över” den storhet man vill beräkna. Om du vill veta formeln för att beräkna I täcker du över I. Som du ser kan I beräknas genom att U divideras med R.

I · R

U R

U = Spänning I = Ström R = Resistans

4 Mätteknik Spänning, ström och resistans går inte att se för blotta ögat. Men vi kan göra dessa storheter ”synliga” genom mätning. För att förstå grunderna i ellära, för att lära sig mer, för att kunna använda dessa kunskaper vid praktiskt arbete i elsystem är kunskaper i mätteknik helt avgörande. Vid felsökning är goda kunskaper i mätteknik A och O.

Effektivvärde – RMS

Med en multimeter kan både DC och AC mätas. Det mätvärde som instrumentet visar när det gäller AC och pulsad DC visas som ett s.k. effektivvärde. Förenklat kan man säga att effektivvärdet är ett slags medelvärde av topp- och bottenvärden på en spänning eller ström under en viss tid. Detta medelvärde betecknas RMS, som är en förkortning av det engelska uttrycket Root Mean Square Value. Ett RMS-mätande instrument visar den varierande spänningens eller strömmens riktiga effektivvärde, oavsett kurvform. Men ett instrument kan ha begränsningar i sin förmåga att mäta spänningar och strömmar när kurvformen är mycket ojämn och frekvensen är snabb. En sådan begränsning anges vanligtvis i instrumentets datablad. Instrument som är märkta TRMS, True RMS, har en större förmåga att mäta komplicerade spänningar och strömmar. För att förstå begreppet effektivvärde kan man göra en jämförelse av hur en ren likspänning och en pulsad likspänning kan driva samma glödlampa. Vi antar att en ren likspänning har ett mätvärde på 10 volt driver en glödlampa. Om en pulsad likspänning kan utveckla samma effekt i glödlampan som den rena likspänningen, då har den pulsade likspänningen effektivvärdet 10 volt. Samma jämförelse kan göras mellan DC och AC.

12 V 10 V

10 V

PWM 10 V

12 V

Till vänster en ren 10-volts likspänning. Till höger en 12-volts likspänning som pulsas ut så att spänningens effektivvärde blir 10 volt. Båda lamporna lyser med samma effekt.

PWM – Effektivvärde

I moderna fordon regleras oftast aktuatorernas effekt med en teknik som kallas pulsvidd modulering, PWM. På engelska Pulse Width Modulation. En kraftelektronikkrets som styrs av en styrenhet ”pulsar ut” spänningen till aktuatorn. Genom att styra hur stor del av periodtiden spänningen ligger på topp styrs spänningens effektivvärde. På detta sätt kan spänningens effektivvärde enkelt ändras mycket snabbt. Man kan säga att PWM-tekniken hackar upp spänningen i fyrkantspulser. Förenklat kan man tänka sig en krets med en spänningskälla 12 V, en strömställare och en lampa. Om du skulle vara lika snabb som en PWM-krets och lyckas sluta och öppna strömställaren så att den 50 % av tiden var sluten och 50 % var öppen skulle lampan lysa med 50 % av effekten jämfört med om den fick en stabil 12-voltsmatning. Spänningens effektivvärde skulle vara 50 % av 12 volt, alltså 6 volt. Förhållandet, pulsförhållandet, mellan tiden strömställaren är ”till” respektive ”från” i varje period bestämmer effektivvärdet.

PWM - Pulsförhållande

Pulsförhållandet anger förhållandet mellan pulsvidd och pulsperiod. Det vill säga hur stor andel av en period som kurvan ligger på sitt toppvärde. Pulsförhållandet, som även kallas pulskvot, heter på engelska Duty Cykle och anges i procent. Vid beräkning av pulsförhållande tar man pulsviddstiden och dividerar med periodtiden. Beteckningen %-duty används ofta på mätinstrument. Volts/Div 5 V

Volts/Div 5 V Spänningens effektivvärde 6V

Tim/Div 5 millisekunder

Spänningens effektivvärde 6 V

Spänningens effektivvärde 1,2 V

Tim/Div 5 millisekunder

Spänningens effektivvärde 1,2 V

Här är periodtiden i båda fallen 10 millisekunder. Vid kurva A är pulsvidden 5 millisekunder, vilket betyder att pulsförhållandet är 50 %. Vid kurva B är pulsvidden 1 millisekunder vilket innebär att pulsförhållandet är 10 %.

Pulsviddstiden Periodtid 5 Pulsförhållande A = ⋅100 = 50 % 10 1 Pulsförhållande B = ⋅100 = 10 % 10 Pulsförhållande =

Pulsförhållandet anger vilket effektivvärde spänningen har. Om spänningens toppvärde är 12 volt och pulsförhållandet är 50 %, blir effektivvärdet 6 volt. Vid pulsförhållandet 10 % blir effektivvärdet 1,2 volt. Om pulsförhållandet är 90 % blir effektivvärdet 10,8 volt. När man med en multimeter mäter en PWM-reglerad spänning, visar instrumentet som nämnts tidigare spänningens effektivvärde.

0,5 · 12 V = 6 volt 0,1 · 12 V = 1,2 volt 0,9 · 12 V = 10,8 volt

Multimetern Med en multimeter kan flera elektriska storheter mätas. ”Multi” betyder flera eller många, och ”meter” betyder i detta sammanhang ”mätning”. Det är också vanligt att använda orden: • Voltmeter för ett instrument som mäter spänning • Amperemeter för instrument som mäter ström • Ohmmeter för instrument som mäter resistans

Vi kommer här att fokusera på hur de tre grundläggande storheterna: spänning, ström och resistans mäts med multimeter. Men det finns multimetrar som även kan mäta: frekvens, kapacitans, testa dioder m.m. En multimeter av god kvalitet är mycket användbar och en förutsättning för effektiv felsökning i elsystemen. Två mätprober används till multimetern: en röd och en svart. Den svarta mätproben ansluts normalt till instrumentets ”jordanslutning”. Detta uttag heter antingen: COM, som står för Common Ground eller GND som står för Ground. Vi kallar i boken denna mätprob för COM-prob. Två saker är viktigt att veta när en multimeter används. • Genom att ändra mätfunktionen med ”storhetsreglaget” förändras instrumentets inre koppling och funktion. • Plusproben måste placeras i rätt uttag beroende på vilken storhet som ska mätas. Det räcker alltså inte att enbart att ställa in den storhet som ska mätas med ”vredet”.

OBS! Det är mycket viktigt att känna till att multimeterns koppling invändigt förändras helt mellan olika inställningar. Mätprober

”Plus”-prob COM-prob Diodtest Summer Ohm Likspänning millivolt

Likspänning volt V Växelspänning volt V

Lik- och växelström ampere

mA Lik och växelström milliampere µA

Lik och växelström mikroampere

Multimetrar kan se ut på olika sätt, men de funktioner och beteckningar som används här finns på alla instrument.

Mäta spänning Spänning mäts alltid mellan två punkter. Har mätpunkterna olika elektrisk potential finns en spänning. När man talar om spänningsmätning, så säger man ofta spänningen över aktuatorn, eller spänningsfallet över aktuatorn. Den mätpunkt som COM-proben placeras på blir referenspunkten för mätningen, man kan säga att det är referenspotentialen eller jord. COM-proben sätts på den mätpunkt vi vet, eller som vi antar, är referenspotential. På fordon är det oftast chassit eftersom batteriets minuspol är anslutet till detta. Ofta kallas denna referenspotential för ”systemjord”. Skulle vi jämföra spänningsmätning med avståndsmätning med en linjal är punkten där COM-proben placeras den punkt där linjalens nollstreck placeras. Den röda mätproben placeras på andra mätpunkten. När det gäller DC kan man få både plusvärden, positiv polaritet, och minusvärden, negativ polaritet, beroende på var man placerar COM-proben. Vid AC-mätning mäts inte olika polaritet eftersom den ständigt växlar. I äldre fordon fanns likspänning överallt utom inne i växelströmsgeneratorn. Numer används växelspänning på fler ställen i fordonen. Vi antar att en multimeter ansluts till två punkter där spänningen är 7 volt respektive 12 volt mätt mot referenspotentialen. Placeras COM-proben på punkten med 7 volt blir mätvärdet plus 5 volt. Placeras COM-proben på punkten med 12 volt kommer mätvärdet att blir minus 5 volt. Det är mycket viktigt att förstå att instrumentet endast mäter, jämför, skillnaden på potential mellan mätpunkterna och visar skillnaden med utgångspunkt från den punkt där COM-proben sätts.

Referenspotential 0

7 6 5 4 3 1 cm 2 0

8 7 6 5 3 0

1 cm 2

8 7 6

1 cm 2

Volt

40 V

80 V

1 cm 2

- 60 V

1 cm 2

- 40 V 0

Likspänning

Referenspotential

COM-prob

Om man jämför spänningsmätning med avståndsmätning är nollstrecket på linjalen den punkt där COM-proben placeras.

För att mäta den spänning som verkligen ska mätas, gäller det alltså att sätta COM-proben på rätt ställe. Vid mätningar i fordon är detta oftast ”säker jord” i stommen, chassit. Vid mätningar internt i elektronikkretsar måste man titta i ett kopplingsschema för att veta var referenspotentialen finns. Jordning delas ibland upp i två varianter: • Kraftjord där aktuatorernas ”matningsström” leds ner till jord. Matningsström är den ström som utvecklar effekt i aktuatorn. Ibland är dessa jordpunkter märkta P i kopplingsscheman • Signaljord som används för att utvärdera signaler från sensorer. Genom dessa jordpunkter är strömmen minimal, det är spänningen som är viktig. Ibland märkta S i kopplingsscheman.

Inställning för spänningsmätning

Vid mätning av spänning placeras COM-proben i COM- eller GND-uttaget. Den röda mätproben sätts i anslutning V. Storhetsreglaget: Välj sedan vilken typ av spänning som ska mätas: mV A ~ Växelspänning AC, Alternating Current = Likspänning DC, Direct Current

På många instrument kan man välja olika prefix framför enheten volt:

µA

• V volt • mV millivolt

COM-proben i COM eller GND Plusproben i uttag V

Ska man mäta en låg spänning och vill ha ett exakt värde, väljs millivolt. En multimeter inställd på spänningsmätning, måste ha en mycket hög inre resistans. I annat fall skulle det öppnas en ny väg för strömmen genom instrumentet när det parallellkopplas till en krets, vilket absolut inte är meningen. Om instrumentet har en låg inre resistans kommer detta att påverka mätvärdet som bli missvisande. På den symboliska bilden här bredvid får ”trycket” membranet att bukta sig mot den del av kretsen som har ”lågt tryck”. Membranets utbuktning blir ett mått på trycket, spänningen. Genom det lilla hålet i membranet går en försumbart liten ström. Hålets lilla format symboliserar den stora resistansen i voltmetern. När spänning mäts över en aktuator parallellkopplas voltmetern och mäter då spänningsfallet, mellan mätpunkterna. För att det ska finnas ett spänningsfall måste kretsen vara ”igång”, det måste gå en ström i kretsen. Voltmetern kopplas alltid in parallellt med aktuatorn. Så lite ström som möjligt går genom instrumentet I 11,5 V

+ –

Parallellkopplad

En enkel krets med batteri, en strömställare och en lampa. Spänningen mäts över lampans anslutningar. Här mäts hur mycket spänning som ”faller över” mätpunkterna. Till höger ett schema som visar samma mätning. Instrumentet är parallellkopplat med lampan.

En symbolisk bild av en multimeter inställd på spänningsmätning. Instrumentet ska ”känna av tryckskillnaden” mellan de punkter i kretsen som den kopplas till. Den ska släppa fram så lite ström som möjligt, därför har voltmetern stor resistans. Illustration Öilert.

ni ND

mäta

am för

12 V 12 V

Mätning av batteriets polspänning. På bilden symboliseras polernas potential av staplarnas höjd. Potentialskillnaden visas som höjdskillnaden.

Vill man veta hur spänningen i en punkt är i förhållande till batteriets minuspol, vilket är det vanligaste, så kan multimeterns COM-prob anslutas till bilens chassi som är anslutet till batteriets minuspol.

Mäta ström Vid strömmätning seriekopplas multimeter in i den krets där strömmen mäts. Det innebär att kretsen måste brytas upp och strömmen går genom instrumentet. En multimeter inställd på strömmätning, ska ha minsta möjliga inre resistans för att inte påverka kretsens totala resistans. Det är aktuatorerna i kretsen som ska bestämma strömmens storlek, inte instrumentet. Kretsen måste vara hel och ”igång” och säkringen i multimetern måste vara hel. Strömmen går genom instrumentet

Säkring

0,4 A

Kretsen måste brytas

+ – I 0,4 A A

Seriekopplat instrument

Vid mätning av ström seriekopplas multimetern med förbrukaren. Kretsen måste brytas upp, den sluts sedan genom instrumentet. Mätströmmen passerar genom instrumentet.

Inställning för strömmätning

Vid mätning av ström placeras COM-proben i COM- eller GND-uttaget. Den röda mätproben sätts i anslutning A, eller vid mätning av små strömmar i mA. Storhetsreglaget: Vid mätning av ström är läget för AC och DC ofta samma läge. Annars välj: ~ Växelström AC, Alternating Current = Likström DC, Direct Current Vissa multimetrar har flera lägen för strömmätning: • A ampere • mA milliampere • μA mikroampere

mV V V

A mA µA

Plusproben i uttag A eller mA COM-proben i COM eller GND

Är man osäker på strömstyrkan man ska mäta väljer man A, ampere, för att sedan ändra inställning om strömstyrkan är mycket liten och man vill ha ett mer exakt mätvärde.

Det är viktigt att förstå skillnaden av att en multimeter är inställd på spänning- eller strömmätning. Om en multimeter, inställd på strömmätning, parallellkopplas in i en krets kommer strömmen, med i princip inget motstånd, att rusa genom instrumentet. Detta är i praktiken en kortslutning. I bästa fall slutar detta med att instrumentets säkring löser ut innan något allvarligt händer. I värsta fall med brännskador. Parallellkopplas en multimeter inställd på strömmätning ger det strömmen en genväg förbi aktuatorn genom instrumentet. Multimetern har mycket låg inre resistans. Lampan har betydligt större resistans. Strömmen väljer den lättaste vägen genom multimetern. Strömstyrkan blir så stor att instrumentets säkring löser ut.

0,8 A

Multimetern har mycket låg inre resistans Lampans resistans begränsar strömmen i kretsen

µA

Rätt inkoppling i serie Här är instrumentet inställt på strömmätningen, men mätningen görs parallellt över lampan.

Den symboliska, lite skämtsamma bilden, med skovelhjulet här intill visar hur vattnet, som symboliserar strömmen, forsar genom instrumentet och driver ett skovelhjul. Med den bilden som utgångspunkt kanske det är lättare att inse vad som händer om amperemetern parallellkopplas över en aktuator. Om ”vägen” för strömmen genom aktuatorn liknas vid en liten stig, öppnas en ”motorväg” för strömmen genom instrumentet. Aktuatorn som drivs av den ström som ska mätas måste vara inkopplad och fungera för att mätningen ska kunna göras. Om en felfri aktuator, t.ex. en hel lampa, inte fungerar när den seriekopplas med multimetern så beror det vanligen på att säkringen i multimeterns löst ut. Oftast på grund av att multimetern tidigare parallellkopplats vid mätning av ström. Enklaste sättet prova om säkringen i multimetern är hel är att ta ut den och kontrollmäta. Antingen med resistansmätning eller med summer. Det går även att mäta multimeterns inre resistans med en annan multimeter, vid trasig säkring är resistansen oändlig. Trasig säkring

Trasig säkring

Ω Oändlig resistans

Hel säkring

Ω Inget summerljud

Låg resistans

Summerljud

Har man inget annat mätinstrument kan multimetern i den krets som mäts bytas ut till en testsladd. I en hel belysningskrets lyser lampan med testsladden, men inte med multimetern inkopplad. Då kan man vara ganska säker på att säkringen i instrumentet är trasig.

Några exempel på strömmätning

Några exempel på strömstyrkor vid olika mätningar i 12-voltssystem: Fordon i viloläge, strömstyrkan mätt i batteriets plusanslutning. Aktuatorerna kan vara klocka, minnen i ljudanläggningar och styrenheter. Dessa drar normalt någon eller några tiondels ampere. I moderna fordon med datorkommunikation kan strömstyrkan i viloläge vara betydligt högre strax efter att fordonet använts. Det kan handla om tiotals ampere en kort stund, men efterhand när nätverken går ner i ”sleepmode” går viloströmmen ner till värden som nämnts ovan.

Amperemetern får inte hindra strömmen, därför har den minimal resistans ”skovelhjulet måste snurra lätt”. Amperemetern måste seriekopplas in i kretsen för att kunna ”känna av” strömflödet. Illustration Öilert.

te ste

Tänt parkeringsljus, strömstyrkan mätt i batteriets plusanslutning. Strömstyrkan blir normalt ca 5 ampere beroende på antalet glödlampor. 5 st. 5-watts lampor drar ca 0,4 ampere vardera. Har bilen LED-lampor är strömstyrkan lägre. Under startförsök, strömstyrkan uppmätt i startmotorns matningskabel. Oftast är strömstyrkan hundratals ampere, allt beroende på hur hårt startmotorn tvingas arbeta. En multimeter utan strömtång klarar inte denna höga strömstyrka. En multimeter klarar vanligen endast ca 10-20 ampere.

Försök alltid bilda dig en uppfattning om storleken på den strömstyrka du ska mäta. Om du är osäker, välj den högsta ampereskalan på instrumentet vid första mätningen, gå sedan neråt till den lämpligaste skalan.

Diodtest

Vid diodtest lägger multimetern ut en testström på ett antal milliampere för att mäta om dioden leder eller spärrar. COM-proben placeras i COM-uttaget och den röda proben i uttaget som brukar vara märkt med en diodsymbol. Hel diod: Med den röda proben på diodens anod, plus, och COM-proben på katod, minus, visas diodens framspänningsfall som vanligen är 0,3 till 0,9 volt. Vänder man mätriktningen visar vanligen instrumentet att det inte kan driva någon ström genom dioden. Trasig diod: Visas samma värde i båda mätriktningarna är dioden trasig. ”Genomslag” dioden leder i båda riktningarna

Hel diod 0,7 V

Ledriktning

0,7 V

Ledriktning

0,7 V

Ledriktning

Avbrott 0V

Ledriktning

Strömtång

Ett enkelt och snabbt sätt att mäta strömmen i en ledning är att använda en strömtång. Den kallas också tångamperemeter. Det engelska ordet är current clamp. Finessen är att kretsen som ska mätas inte behöver brytas som vid mätning med en multimeter. Dessutom kan stora strömmar mätas. En annan fördel är att det är elsäkert, man mäter genom isoleringen kring ledningen. Det behöver alltså inte finnas galvanisk kontakt med spänningsförande mätpunkter. Med galvanisk kontakt menas att elektrisk ledande metaller rör vid varandra. Mätprincipen för DC grundar sig på att en hall-sensor i strömtången mäter det magnetfält som alltid finns runt strömförande ledningar. Magnetfältets styrka är proportionell med strömmen i ledningen, det betyder stor ström ger kraftigt magnetiskt fält och liten ström ger svagt fält. En strömtång märkt ”Endast AC” mäter inte likström eftersom den bygger på principen att ett växlande magnetfält inducerar en ström i tångens spole. En strömtång med hall-sensor mäter både AC och DC. Ett problem vid användningen av strömtången kan vara att det ibland är svårt att få plats för tången vid mätpunkten. Andra problem är att den kan störas av andra magnetfält. Mätnoggrannheten kan också vara något sämre än hos seriekopplade instrument.

Hold-min/max

Vissa strömtänger har en praktisk funktion som kallas Hold-min, Hold-max, eller Peak-max, Peak-min. Det betyder att instrumentet sparar högsta eller lägsta värdet under ett mätförlopp. Hold-max används t.ex. vid mätning av startström till startmotorn. Tången placeras runt matningsledningen till startmotor. Strömtången sparar sedan det högsta strömvärdet som mäts under ett startförsök. Hold-min används t.ex. när man söker en ”glappkontakt”, när det ibland finns kontakt och ibland inte. Strömtången placeras på ledningen till den funktion man felsöker i. Man kan även placera instrumentet kring batteriets plusanslutning. Sedan rycker man lätt i ledningar som man misstänket har glappkontakt. Om strömtången sparat ett lägre värde på strömmen under mätförloppet då är detta ett tecken på att kretsen varit bruten vid ett eller flera tillfällen. Manuell ”Hold” innebär att man själv väljer när strömtången ska spara mätvärdet. Denna funktion används exempelvis när det är så trångt att man inte kan se displayen i mätögonblicket.

Mäta resistans En multimeter inställd på resistansmätning fungerar så att instrumentet lägger ut en testspänning mellan mätproberna. För att kunna göra detta har instrumentet ett batteri. Testspänningen ger upphov till en ”testström” som går från den ena mätproben, genom mätkretsen och tillbaka till instrumentet via den andra mätproben. Eftersom instrumentet vet hur stor testspänningen är och mäter strömmen, kan det räkna ut resistansen som mätströmmen möter. Eftersom instrumentet mäter en ström genom en mätkrets måste man vara uppmärksam så att denna ”testström” inte går andra vägar än just den krets man vill mäta. Kretsen, mätobjektet, måste vara urkopplad på minst en sida för att mätströmmen inte ska ta fel väg. Kretsen som mäts får inte vara kopplad till en spänningskälla. Instrumentet parallellkopplas med kretsen som ska mätas. Kretsen bryts eller mätobjektet tas ur kretsen

Instrumentet lägger en spänning över proberna som skapar en mätström genom mätobjektet

Symbolisk bild. Instrumentet har ett batteri som lägger en testspänning över kretsen som ska mätas. Illustration Öilert.

20 Ω

+ –

Instrumentet har ett batteri för resistansmätningar Resistansmätning görs genom att ohmmetern med ett inbyggt batteri trycker en ström genom den krets som mäts. Eftersom spänningen är känd av instrumentet så mäts strömmen som går genom kretsen. När instrumentet har värden både för spänning och ström beräknas resistansen och presenteras för avläsning. Eftersom det är ohmmeterns batteri som ska skicka runt strömmen i kretsen så blir mätresultatet fel om någon annan strömkälla är inkopplad

Varning! Resistansmät inte på styrenheter och reläer som innehåller känsliga elektronikkomponenter utan att det klart framgår av verkstadsinformationen var det är tillåtet att resistansmäta.

Inställning för resistansmätning

OBS! Vissa krockkuddar kan utlösas av en resistansmätning. Orsaken är att instrumentet vid resistansmätning spänningssätter mätkretsen där det då flyter en ström.

Parallellkopplat instrument

Vid mätning av resistans placeras COM-proben i COMeller GND-uttaget. Den röda mätproben sätts i anslutning Ω. Storhetsreglaget: Vid mätning av resistans väljs läget för resistans Ω.

COM-proben i COM eller GND

Plusproben i uttag Ω

µA

Några exempel på resistansmätning

Det är viktigt att veta vilken komponent, vilka komponenter, som verkligen ingår i mätkretsen när man ansluter ohmmetern. Ett exempel visas på bilden nedan. Om du vill mäta resistansen i R1, resistor 1, räcker det inte att endast batteriet är bortkopplat. Vid mätningen till vänster visar ohmmetern ersättningsresistansen för R1 och R2, det vill säga vilken resistans de två parallellkopplade resistorerna tillsammans ger. Det värde som ohmmetern till vänster visar säger inget om hur stor resistans R1 har. För att verkligen kunna mäta resistansen hos R1 eller R2 måste en ände av resistorn frigöras. Den mätström instrumentet använder för att beräkna resistansvärdet måste gå rätt väg, vägen genom den krets, den komponent, som ska resistansmätas.

Här mäts den gemensamma resistansen för R1 och R2.

Här mäts resistansen för R1.

Här mäts resistansen i en temperatursensor.

Avbrott i värmesits

Värmeslingan i sitsdelen har här gått av, kretsen är bruten. Det finns ett avbrott i strömkretsen. Eftersom värmeslingorna i sits- och ryggdel i bilden nedan är seriekopplade, så blir båda strömlösa. Ett ganska vanligt fel hos värmesitsar. Avbrott är också vanligt på ledningar till bakluckor på grund av att kablar böjs och rätas när luckan öppnas och stängs. Vid en resistansmätning mellan slingans inkopplingspunkter, exempelvis i ett kontaktstycke visar multimetern inget värde alls, en oändlig resistans. Normal funktion

Funktion med avbrott

Resistansmätning

Oändlig resistans ∞ +

Avbrott Eftersom instrumentet inte kan driva en ström genom kretsen visas oändlig resistans.

5 kΩ

Avbrott i några komponenter

När tändkablar resistansmäts förväntas resistansen vara ca 5 000 ohm. Är resistansen oändlig finns ett avbrott När funktionen hos en strömställare ska testas är man oftast inte intresserad av exakta resistansvärden, utan vill endast kontrollera när den leder eller inte. Leder den inte när den är i läge till, är resistansen oändlig. Likaså är resistansvärdet ointressant om man vill kontrollera att en glödlampa eller en säkring är hel. Då är summerinställning, beeper, en enkel metod att snabbt testa ett eventuellt avbrott. När mätproberna har förbindelse med varandra hörs en ljudsignal.

Summer

Summer, på engelska beeper, är en enkel metod att snabbt och tydligt testa funktionen hos t.ex. strömställare och glödlampor.

Kortslutning i värmesits

Vi utgår från följande fel som visas på bilden nedan. I en värmesits, där rygg- och sitsdel är seriekopplade, har isoleringen hos värmeslingan i sitsdelen skadats och metallen i slingans ledningar har någonstans kommit i kontakt med varandra. Strömmen söker alltid den lättaste vägen och hittar här en genväg. I detta fall blir större delen av sitsen strömlös. Spänningen över ryggdelen stiger på grund av att det inte kommer att bli något spänningsfall i den strömlösa sitsdelen. Den mindre resistansen i den ”nya kretsen” gör att strömmen ökar i ryggdelen, den resterande delen av kretsen. Eventuellt löser säkringen ut. Om den inte gör det finns det en risk för att ryggdelen blir överhettad. När strömmen tar en annan väg än den avsedda, med mindre resistans, kallas detta en kortslutning. Mätning Vid resistansmätning mellan värmeslingans anslutningar, uppmäts ett lägre resistansvärde än normalt. Multimetern i exemplet i bilden bör visa cirka halva normala resistansvärdet, eftersom ungefär halva värmeslingan ingår i kretsen. Resistansen minskar mer ju mindre del av slingan som ingår i uppmätta kretsen. Vid mätning mellan någon av värmeslingans anslutningar och bilens stomme är resistansen oändligt stor, ett avbrott. Funktion med kortslutning

Resistansmätning i slingan Mätström

Kortslutning mellan delar av slingan +

Ca hälften av normal resistans +

Resistansmätning i plusanslutning – chassi

Oändlig resistans

Resistansmätning i minusanslutning – chassi

Oändlig resistans

∞ +

Vid resistansmätning tar mätströmmen lättaste vägen tillbaka till instrumentets COM. Kortslutningen på bilden finns mitt i värmeslingan. Mäts resistansen i slingan visar instrumentet ca hälften av normal resistans. Vid de undre mätningarna visas oändlig resistans, ett avbrott.

Överledning till jord i värmesits

Överledning till jord är en annan typ av kortslutning. Vi utgår från följande fel som visas på bilden nedan. I en värmesits, där rygg- och sitsdel är seriekopplade, har isoleringen hos värmeslingan i sitsdelen skadats och metallen i slingans ledningar har någonstans kommit i kontakt med metallen i bilens chassi. Här uppstår kortslutningen när någon del inne i slingan kommer i kontakt med fordonets chassi, systemjord. Felet liknar det som beskrivits tidigare på flera sätt, men det finns en avgörande skillnad som visar sig vid resistansmätning. Även här hittar strömmen en ”lättare väg” tillbaka till batteriets minuspol. När strömmen passerat ryggdelen går den ner i stommen och tillbaka till batteriet, vilket gör sitsdelen strömlös. Spänningen över ryggdelen stiger på grund av att det inte kommer att bli något spänningsfall i den strömlösa sitsdelen På samma sätt som vid kortslutningen ovan blir strömmen dubbelt så stor på grund av att felet finns ungefär mitt i värmeslingan. Om strömmen blir för stor brinner säkringen av. Mätning Vid resistansmätning visas en avgörande skillnad mellan de olika typerna av kortslutning. Vid mätning mellan värmestolens anslutningar, plus och minus, får du ett ohmvärde som inte avviker nämnvärt från det som tillverkaren angett. Värmestolen kan verka felfri vid denna mätning. Multimetern kan vid denna mätning inte ”känna” att det finns en överledning till jord. Men mäter man mellan någon av värmeslingans anslutningar och bilens chassi finns det en mätbar resistans. Storleken på den resistansen avgörs av hur stor andel av värmeslingan som finns mellan mätpunkterna. Funktion med kortslutning till chassi

Resistansmätning i slingan Mätström Normal resistans

Kortslutning till chassi +

Resistansmätning i plusanslutning – chassi

Resistansmätning i minusanslutning – chassi

Mätström Ca hälften av normal resistans

Ca hälften av normal resistans

Mätström

Överledningen till jord, chassi, på bilden finns mitt i värmeslingan. Mäts resistansen i slingan visar instrumentet normal resistans. Vid de undre mätningarna visas ca hälften av normal resistans.

Styrenheten och nätverksteknik

Elektroniskt styrda system i fordon innehåller tre ”grunddelar”: Styrenheter som kommunicerar med varandra och med sensorer och aktuatorer via ett eller flera nätverk. Sensorer som mäter och registrerar samt sänder denna information till styrenheterna. Aktuatorer som utför ett arbete. Öppnar ventiler, belyser vägbanan, värmer säten m.m. Detta kapitel behandlar överskådligt och principiellt hur en styrenhet är uppbyggd och fungerar, samt grundläggande nätverksteknik. Här beskrivs även de vanligaste nätverkstyperna med speciellt fokus på CAN.

Sensorer

Styrenhet Gasspjäll

Sensor varvtal, position

Bränslepump

Luft- syresensorer Temperatursensor

Sensor luftspjäll

Läser informationen från sensorerna, utför beräkningar, styr, reglerar, aktuatorernas aktivitet

EVAP - ventil

Syresensor Insprutare

Knacksensor

Styrenheten Styrenheten är ”hjärnan” i ett elektroniskt styrsystem. När styrenheter är sammankopplade i nätverk kallas de ibland noder eller moduler. Nod är en enhet som kan sända, ta emot eller vidareförmedla data. En vanlig beteckning är Electronic Control Unit, ECU. En annan beteckning är Electronic Control Module, ECM. Det används många förkortningar, s.k. akronymer, som beteckning för olika styrenheter, t.ex. CCM för huvudstyrenhet, Central Control Module. Motorstyrenheten kan betecknas ECM, Engine Control Module, m.fl. Styrenheter för Bosch Motronic-system har tillverkats i över 100 miljoner enheter. Den första generationen av Motronic Control Unit började användas 1979. Bild Robert Bosch AB.

Utsignaler

Insignaler

Utbyte av komponenter i nätverk

I nätverkssystem går det vanligen inte att byta styrenheter eller komponenter utan att uppdatera programvaran samtidigt. Systemet måste känna igen serienumren på alla enheter som ingår i nätet. Därför går det oftast inte ens att byta ut en enhet mot en annan av samma typ, till exempel låna från en liknande bil. När en enhet måste bytas ut, eller fler enheter kommer in i nätverket, måste styrprogrammet uppdateras och konfigureras.

Aktuatorer

Mjukvaran, programmen, i styrenheter har ofta adaptiva, självlärande, funktioner. Detta innebär att styrsystemen fortlöpande anpassar sina beräkningar efter hur omständigheter förändras. I bränslesystem kan adaptiva funktioner t.ex. kompensera för slitage, luftläckage, skillnader mellan olika bränslen m.m. En styrenhet är i princip en komplett dator som kan kommunicera med andra styrenheter. Själva kommunikationsdelen sköts av funktioner som heter controller och transceiver. Styrenheter har även en IN-enhet som tar emot signaler från sensorer och en UT-enhet som sänder ut styrsignaler till aktuatorer. CPU CPU:n, Central Processor Unit, eller mikroprocessorn är den enhet som utför själva beräkningsprocesserna. Tillsammans med andra kretsar som ex. en klock-krets och minnen bildar CPU:n en dator. Eftersom den här typen av ”dator”i princip får plats på en IC-krets, ett chip, kallas de ofta mikrodatorer. Som alla datorer behövs både ett slags operativsystem och program som utför datorns ”arbete”, det vi i denna bok kallar styrprogram.

UT-enhet UT-enheten ger styrenheten signalvägar ut till aktuatorerna.

Programminne Här lagras det styrprogram som styr datorns arbete. Det är ett ”långtidsminne”, data som lagras här finns kvar när spänningen bryts. Det är möjligt att nå från fordonets OBD-uttag. Programmet kan alltså uppdateras, bytas ut till nyare versioner. Styrprogrammet är en uppsättning inprogrammerade inställningsvärden. Där finns också specifikationer av kända beräkningar samt instruktioner om hur in-signalerna från sensorerna ska tolkas samt hur aktuatorerna ska styras.

Arbetsminne Arbetsminnet RAM är den plats styrenheten använder för tillfälliga lagringar av data.

IN-enhet IN-enheten tar emot signaler från de sensorer som är kopplade till styrenheten.

Controllern Controllern kan man säga är en grindvakt som släpper genom rätt meddelanden från databussen in till mikrodatorn.

Felkodsminne De flesta styrenheter innehåller också speciella minnen för lagring av felkoder. Transceiver Läser spänningspulserna på bussen, receive, och omvandlar dessa till logiska ettor och nollor. Sänder ut enhetens meddelande på bussen som spänningspulser, transmit.

Styrenhet för CAN.

Transceivern

Transceivern är i princip ett modem som omvandlar de fysiska spänningspulserna på databussen till logiska ettor och nollor som controllern och CPU:n kan läsa. På andra hållet omvandlar transceivern logiska Logiska bitar ettor och nollor till spänningspulser Styrenhet som sänds ut på datanätet. Tranceiver 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 är ett sammansatt ord från transmit, sända, och receive, ta emot.

Styrenhet

U De binära siffror, ettor och nollor, som används av CPU:n motsvaras av spänningspulser på databussen.

Spänningspulser Tid

Buss

Styrprogram

I datorns programminne, oftast ett s.k. flashminne, finns en uppsättning inprogrammerade värden placerade i mappar. Där finns också specifikationer av kända beräkningar, instruktioner om hur in-signalerna från sensorerna ska tolkas samt hur aktuatorerna ska styras. Styrenheten fungerar förenklat så att den tar emot signaler från sensorer, jämför dessa mot inprogrammerade värden och villkor. När och hur ofta detta görs styrs också det av mjukvaran. Ett väldigt enkelt exempel på hur styrprogram fungerar är den ljudsignal som låter när föraren glömt att sätta på bilbältet. I sätet finns en sensor som känner om någon sitter där. Hjulsensorn känner om bilen rullar. En tredje sensor känner av om bilbältet är knäppt. En aktuator, en högtalare, varnar föraren. Om styrenheten får in information om att: • Ett föremål med tillräcklig tyngd påverkar sensorn i sätet • Bilen rullar, oftast över en viss hastighet • Bilbältet är knäppt

Då är alla villkor uppfyllda för att högtalen inte ska få en styrsignal som aktiverar den. Men om däremot:

• Ett föremål med tillräcklig tyngd påverkar sensorn i sätet • Bilen rullar, oftast över en viss hastighet • Bilbältet inte är knäppt

Då är tillräckligt många villkor uppfyllda, ett i det här fallet, för att högtalen ska få en styrsignal som aktiverar den.

I vänstra bilden ger sensorerna sådan information till styrenheten att den aktiverar en styrsignal till högtalaren. Föraren varnas att hen kör utan bilbälte. Till höger är bilbältet knäppt och styrenheten skickar ingen signal till högtalaren. Sensorer

Om vi exempelvis tittar på ett bränslesystem för en ottomotor ska insprutarna öppna vid rätt tidpunkt och precis så länge som är bäst för tillfället. Styrdatorn ska ta hänsyn till en mängd information från sensorer och jämföra med inprogrammerade värden: t.ex. • • • •

Hur varm är motorn? Hur hårt trampar föraren på gaspedalen? Hur mycket syre finns i avgaserna? O.s.v.

När styrenheten räknat ut den lämpligaste öppningstiden styr den tiden som insprutarna öppnas och därmed hur mycket bränsle som sprutas in i cylindrarna. Hela processen görs flera gånger per sekund.

Insignaler

Sensor varvtal, position

Luft- syresensorer Temperatursensor

Sensor luftspjäll

Syresensor

Knacksensor

Insprutare

Mappar

Temp

I styrenhetens minne finns de värden, parametrar, lagrade som datorn använder. Data för olika funktioner är organiserade i mappar, tabeller. Genom att jämföra de inprogrammerade värdena i mapparna med information från sensorer kan motorstyrenheten styra exempelvis så att motorn får det mest riktiga laddningstrycket beroende på varvtal och temperatur. Bilden visar tredimensionellt en mapp, en tabell, med data för motortemperatur, motorvarvtal och laddningstryck. Laddningstryck

Varvtal

Uppdatering av styrprogram

Efter det att en ny bil levererats till kund måste man ibland justera, uppdatera, styrprogrammen i olika styrenheter. Ofta görs detta i samband med att kunden lämnar in fordonet för service. Biltillverkarna har skyldighet, enligt EU-beslut, att tillhandahålla programuppdateringar till alla verkstäder, inte endast till märkesverkstäder eller auktoriserade verkstäder. Ett exempel på en märkesoberoende leverantör av programuppdateringar är företaget Autocom som har tjänsten SOFTBRIDGE. Uppdateringarna kan vara av olika slag, exempelvis kan man ha optimerat programmet så att en komponent fungerar lite bättre. Funktioner kan läggas till, programbuggar kan rättas m.m. Oftast är det nödvändigt att uppdatera programvara i samband med att man byter komponenter. Om uppdateringen beräknas ta lång tid underEn större uppdatering av programvaran kan ta så lång hållsladdas batteriet under tiden eftersom en allttid att man under tiden måste för låg systemspänningen kan vara skadligt.

underhållsladda bilens batteri.

Förändring av styrprogram

Eftersom styrningen av motorfunktionen görs med hjälp av mjukvara ligger det nära till hands att vilja ”förbättra” motorns prestanda. Exempelvis att få ut högre effekt eller att sänka bränsleförbrukningen. Det finns grovt uttryckt två varianter. Man kan uppdatera programvaran med en profil som utvecklats generellt för just en bilmodell, detta brukar kallas ”chipning” eller ”chip-trimning”. Steget längre är att via en programförändring optimera just en enskilds motors prestanda. Detta brukar kallas att ”mappa” motorn, eller en mappning av motorn. Det finns företag som erbjuder sådana tjänster. Om man chip-trimmar eller mappar ett styrsystem upphör tillverkarens garantier att gälla. Ett tredje sätt är, istället för att förändra styrprogrammen, att ”manipulera” bränslestyrsystemet genom att modifiera den information som En effektbox monteras utan att förändra sensorer lämnar. Detta görs exempelvis på dieselmotorer med en s.k. originalprogrammet. I boxen modifieras effektbox som kopplas in mellan sensorer och styrsystem. Syftet är att sensorsignalerna som sedan går vidare till sänka bränsleförbrukningen och höja effekten, därför kallas kompostyrenheten. Foto: KCR. nenten ofta effektbox.

Intrång i styrprogram

Datorer är mer eller mindre säkra för intrång, risken finns alltid att system ”hackas”. I takt med att fler och fler system styrs av datorer måste tillverkarna också skydda datornätverken. Dels mot driftsstörningar, men också mot att någon planterar in datavirus eller ”tar över ” styrprogram. Forskare och programmerare har visat att det är tekniskt möjligt att hacka och fjärrstyra styrsystem i bilar. Möjligheten att göra detta varierar dock mycket mellan olika bilmärken.

Komponentidentitet

Styrenheterna vet de andra styrenheternas identitet och varje styrenhet vet identiteten på anslutna sensorer och aktuatorer. Lägger man till, tar bort eller byter ut en komponent som har en specifik identitet måste styrprogrammen uppdateras.

Sleep mode

Styrenheter kan försätta nätverken i ”sleep mode” när systemen inte behöver utföra några uppgifter. Men styrenheterna har ändå en ”beredskap”. Man vill exempelvis inte att bilens nätverkssystem ständigt ska dra energi när den är parkerad, men när man aktiverar en upplåsning går just det systemet ur sleep mode. Spänningsnivåerna i sleep mode varierar mellan olika nätverk.

Nätverksteknik När de första elektroniska styrsystemen infördes, öppnades möjligheten att låta två styrsystem dela information med varandra. Styrsystemen för tändning och bränsleinsprutning behövde samma information, exempelvis vevaxelns position och rotationshastighet, men varvtalssensorn var kopplad till en av styrenheterna. Man använde då en s.k. parallell databuss med en separat ledning för varje storhet som sändes mellan styrenheterna. Kabeln mellan styrenheterna innehöll alltså många ledningar. Fördelen med en parallell databuss är att varje mätvärde har en egen kanal, vilket ger en snabb överföring. Men i takt med att man ville införa fler styrsystem och låta många styrsystem dela informationen från sensorer blev det opraktiskt med parallella databussar. Det var inte möjligt att varje uppmätt storhet som ex. varvtal, motortemperatur m.fl. skulle ha en egen fysisk ledning. Antalet kablar skulle bli för stort. Trenden inom systemtekniken visar på att allt fler funktioner kommer att styras med elektroniska styrsystem. Man talar om: drive-by-wire, accelerate-, brake- och steer- by wire. Antalet sensorer och aktuatorer kommer att öka. Att styra gasspjället med en elmotor är vanligt idag. Men att använda elmotorer i färdbromsen är än så länge sällsynt, dock används elmotorer i parkeringsbromsar. Styrenhet A

Parallell kommunikation, databuss. Varje mät- eller styrvärde har en egen ledning.

RPM RPM

I en parallell databuss har varje storhet, mät- eller styrvärde, en egen ledning. Mätvärdet från varvtalssensorn används av styrenhet A, men sänds också på en egen ledning till styrenhet B som kan använda mätvärdet i sin egen styrkrets.

Varvtal Vevaxelposition Belastning

100

Styrenhet B

Seriell kommunikation

För att begränsa antalet ledningar fick man övergå till en s.k. seriell datakommunikation mellan styrenheterna. Information från olika sensorer sänds på en ledning, en seriell databuss. Det är idag inte ovanligt att det finns hundratals styrenheter i en personbil. De är på olika sätt alla inkopplade på samma kommunikationsnät.

RPM

Seriell kommunikation

I en seriell databuss måste alla meddelanden, mät- eller styrvärde, dela på en ledning och sändas efter varandra. RPM

Den information, de meddelanden som sänds på databussen är främst mätvärden från sensorer, men också styrvärden till aktuatorer. Det sänds också meddelanden mellan styrenheter om exempelvis fel som en styrenhet upptäckt m.m. Om vi pratar i mobiltelefon, surfar på internet eller kopplar samman datorer så används i princip samma typ av kommunikationsteknik. På en ledning, av koppar eller optisk, eller genom luften i form av radiovågor, skickas informationspaket som består av siffror. Det är viktigt att komma ihåg att all information en dator processar är beskriven med siffervärden. En dator kan endast lagra och använda binära tal. Därför byggs sifferserierna upp med ettor och nollor. Ofta kallar man de binära siffrorna för bit efter det engelska uttrycket binary digit. Eftersom den digitala elektroniken är byggd av logiska kretsar säger man ofta logiska bits. Med 8 bits, eller 8 binära siffror, kan man skriva tal upp till 256. För att skriva ännu större tal behövs fler bits. När de här informationspaketen, kallas också frames, skickas i en kanal, en fysisk kabel eller radiofrekvens, efter varandra, så säger vi att kommunikationen är seriell. Ett annat namn på tekniken är multiplex eller MUX. En fysisk ledning som data skickas på kallas databuss eller buss efter engelskans network bus. Nu kan man inte skicka ”siffror” genom en fysisk databuss, men eftersom datorer arbetar med tal i binär form som i princip kan representeras av två ”tillstånd” är det logiskt att två olika spänningsnivåer kan betyda ett eller noll. Där exempelvis hög spänning betyder siffran 1 och Logiska bitar låg spänning betyder siffran noll. De binära siffrorna, ett Styrenhet och noll, blir alltså på den fysiska databussen hög- och 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 låg spänningsnivå. Varje bit varar alltid under lika lång tid, den s.k. bittiden. Eftersom det är helt nödvändigt att styrenheten kan avgöra när en bit börjar och slutar är tidmätning en U mycket viktig funktion. Spänningspulser För att få ”trafiken” på en enda ledning att fungera Tid Buss så att alla meddelanden får plats, att de viktigaste meddelandena inte fördröjs m.m. behövs ett regelverk, ett Tranceivern omvandlar de binära tal styrenhetens mikrodator använder till spänningspulser och sänder ut, transmits, på den fysiska kommunikationsprotokoll. bussen. Omvänt tar den emot, receives, spänningspulserna på bussen och omvandlar dessa till binära tal åt mikrodatorn.

101

Protokoll

På 1800-talet uppfann Samuel Morse morsealfabetet och telegrafen föddes. I telegrafins ”databuss” användes en spänningsnivå, samt avsaknaden av spänning. Morse kombinerade långa och korta pulser så att varje bokstav fick en egen kombination. Det han gjorde var att bestämma ett ”språk” för datakommunikation som alla telegrafister använde. För att två datorer ska kunna prata med varandra över en databuss måste de tala samma språk, de måste ha ett gemensamt program för att tolka kombinationer av ettor och nollor. Vi kallar detta gemensamma språk för ett kommunikationsprotokoll. För att de olika styrenheterna ska veta vad som är ett meddelande på bussen, både när de sänder och tar emot, måste det i förväg vara bestämt hur ett meddelande ska vara uppbyggt, hur det ska vara paketerat. Om datorer som använder olika protokoll ska kunna tolka varandras ”språk” måste det översättas. Den komponent som gör detta i nätverk kallas gateway.

Nätverkstyper

Även om flera nätverkstekniker i princip använder samma grundteknik, en seriell kommunikation, så har de olika kommunikationsprotokoll, olika överföringshastigheter, olika bussledningar, olika topologier m.m. Exempel på kommunikationssystem är LIN, CAN, FlexRay, MOST mfl. Det är vanligt att en bilmodell har olika typer av nätverk för olika delsystem. I kapitlet kommer vi att beskriva nätverket CAN lite mer detaljerat eftersom det är vanligast. Man kan säga att man tar hänsyn till följande när man väljer nätverkstyp: Leveranssäkerhet Feltolerans Störningstålighet Överföringshastighet Kostnad

Kommunikationssystem

EX. MOST

• • • • •

Ljudanl.

GPS

Brandvägg Dörrhiss Lås

Säkerhetskritiska system

102

Strålkastare

EX. LIN Ex.CAN High Speed

Driftsäkra system

Ex. FlexRay

Karosserisystem

Tele

Komb. instrument

Transmission Motor

Steer by wire

ESP

Gateway Larm

Gateway ABS

SRS

Brake by wire

Gateway

LIN CAN MOST

Fönsterhiss Backspegel Fönsterhiss

Strålkastare Lampor Ljusnivåreglage

Lås Lås Högtalare ABS

Klimat

Infotainment

Säte

Bildskärm

Lampor

Värme

Värme Säte

Motor

Aut. växellåda

Säte

Temp.givare Varvtalsgivare Lambdasond Gasspjällsmotor m.m.

Kontrollpanel ABS

Kontrollpanel

ABS

ABS Högtalare Lås

Lås Backspegel

Fönsterhiss

Ett fordon har oftast flera olika typer av nätverk.

Leveranssäkerhet – Viktigast först

Nätverket måste ha en hög förmåga och säkerhet att förmedla de viktigaste meddelandena före de mindre viktiga. Exempelvis är information från en krocksensor viktigare än informationen att strömställaren till kupébelysningen trycks in. Det finns två olika grundprinciper för att garantera leveransförmågan. Dels finns nätverk som har en inbyggd ”rangordning” där alla meddelande som skickas ut på bussen har en identifikator som beskriver hur viktigt meddelandet är. Alla meddelanden konkurrerar om busstillgången, men med hjälp av identifikatorn kan systemet ge förtur på bussen åt viktiga meddelande. Ett sådant förfarande kallas arbitrering. System där ”händelser” konkurrerar om busstillgången med arbitrering kallas händelsestyrda. En ”händelse” kan vara att en sensorsignal läses av var tredje sekund eller att föraren påverkar ett reglage. CAN är ett sådant system. Den andra principen är att programmera in alla meddelande i ett tidsschema, en tidsmatris. Meddelandena behöver inte konkurrera om busstillgången. Sådana system kallas tidsstyrda eller determinerade system. Varje meddelande har sin förutbestämda plats i tidsmatrisen. FlexRay är ett sådant system. Det finns även system som exempelvis TT-CAN där båda principerna kombineras.

Feltolerans

Komponenter kan gå sönder, kommunikationen i bussar kan störas. När ett system har parallella metoder för att säkra funktionen säger man att det har redundans eller är redundant. Fungerar inte den normala funktionen ska en annan träda in och garantera att kommunikationen fungerar. Det finns två kategorier av redundans: • Mjukvara, program • Hårdvara, fysiska komponenter

Styrprogrammen innehåller flera olika metoder för redundans. Ett exempel är hur meddelanden som innehåller fel upptäcks och åtgärdas. Felet kan vara hur den sändande styrenheten satt samman meddelandet eller att det blivit skadat ex. av en störning. Felaktiga meddelanden kan orsaka fördröjningar eller bortfall av kommunikation. En form av fysisk redundans är när bussen har två parallella ledningar. Faller en bort kan kommunikationen, åtminstone kortvarigt, fungera över en ledning.

103

Störningstålighet

Förutom rent fysiska skador på ledare till sensorer, aktuatorer eller på bussledningen är risken för störningar störst från elektromagnetiska fält. Elektromagnetiska fält bildas kring alla ledare där en elektrisk ström rör sig. Omvänt kan ett magnetfält inducera en EMK, en spänning, i en ledning om fältet rör sig i förhållande till ledningen eller att det växlar i styrka eller polaritet. Om ledningar till sensorer, aktuatorer eller bussledningen utsätts för ett elektromagnetiskt fält kan inducerade spänningar störa formen på spänningskurvan i ledningen. Eftersom det ofta är spänningens form som så att säga ”bär” informationen som ska förmedlas kan alltså magnetfält förstöra information. Ett sätt att skydda kablar är att använda kablar med en ”skärm” som ansluts till systemjord. Skärmen fångar upp fältet och leder en inducerad spänning till systemjord. Ett annat sätt är att använda en tvinnad parkabel, detta beskrivs mer utförligt i ett annat avsnitt. En tredje metod är att använda optisk kabel där induktion inte kan förekomma.

Skärm

Överföringshastighet och kapacitet

Hur snabbt och hur mycket information kan överföras på databussen är naturligtvis viktiga faktorer för nätverkets prestanda. Överföringskapaciteten brukar anges i kilobits per sekund, kbs, eller megabit per sekund, Mbs. Nätverk där överföringshastigheten inte är funktionskritiskt eller säkerhetskritisk kan ha en lägre prestanda. Karosserisystem som manövreringen av sidrutor klarar sig med en låg prestanda medan nätverk som förmedlar information exempelvis om motorvarvtal måste ha en betydlig högre överföringshastighet. LIN 20 kbs

CAN Low Speed

CAN High Speed

FlexyRay

125 kbs

1 Mbs

10 Mbs

Most 20 Mbs

150 Mbs

Överföringskapacitet

Exempel på genomsnittliga överföringshastigheter för några nätverkstyper.

I nätverk med kopparledningar ser man ett tydligt samband mellan spänningsamplituden på bussen och snabbheten i överföring. I ett långsamt nät som LIN pendlar spänningsamplituden mellan batterispänning och systemjord, d.v.s. vanligen mellan ca 12 volt och nära 0 volt. Med minskande amplitud och ökande snabbhet följer sedan CAN Low Speed, CAN High Speed och slutligen Flex Ray. Förklaringen är helt enkelt att en stor spänningsändring tar längre tid, än en liten ändring av spänningen. ÖverföringsEn faktor som också begränsar överföringshastigheten är kapacitet bussledningens längd. Med korta bussledningar är det möjligt att 150 Mbs öka överföringshastigheten jämfört med längre ledningar. Most

Kostnad

20 Mbs

Att bygga system med hög överföringshastighet, låg feltolerans, störningstålighet m.m. är dyrare än system med lägre prestanda. Eftersom behoven av prestanda inte är lika stora i olika system väljer fordonstillverkarna därför att kombinera flera systemtyper.

10 Mbs

FlexRay

2 Mbs CAN High Speed

1 Mbs Generellt sett ökar tillverkarnas kostnader för nätverken med ökande överföringskapacitet.

104

125 kbs 20 kbs

CAN Low Speed LIN Kostnad

Fysiska nätverket

Nätverk är uppbyggda av styrenheter som kommunicerar med varandra via en fysisk ledning, en s.k. databuss. Den fysiska ledningen kan se olika ut beroende på nätverkstyp, krav på överföringshastighet och störningstålighet m.m. Enkelledare av koppar ger låga tillverkningskostnader, men det innebär också låga överföringshastigheter och används ofta i LIN-nätverk. Genom att använda en skärmad kabel där skärmen ansluts till systemjord kan störningar från elektromagnetiska fält begränsas. Partvinnad dubbelledare av koppar används för högre överföringshastigheter. Att bussen har dubbla ledningar innebär att kommunikationen, i vissa fall, kan fortsätta på en tråd om den andra skadats. Ofta fungerar exempelvis CAN Low Speed även när en ledning är utslagen, entrådsdrift, det gör inte CAN High Speed. Men den tvinnade dubbelledaren ger också systemet en tålighet mot elektromagnetiska störningar. I nät med partvinnade ledningar är det spänningsskillnaden, differensspänningen, mellan ledningarna som styrenheterna ”läser”. Vid en störning störs båda ledarna ”lika mycket” och differensspänningen som styrenheten tolkar som logiska ettor och nollor är oförändrad. Balansen mellan spänningarna förblir densamma. Enkelledare

Partvinnad dubbelledare Störningen påverkar båda ledningarna lika mycket

CAN-High

Partvinnad dubbelledare med skärm

Differensspänningen blir opåverkad Bildkälla VW.

CAN-Low

Optisk ledare

Databussar av optiska fiberledare gör att man helt undviker risken från elektromagnetiska störningar. Denna typ av buss ger högre kostnader vid tillverkningen samt mer komplicerade reparationer.

Ändresistorer

När nätverkskabeln är lång och överföringshastigheten hög riskerar man att få signalreflexer. För att dämpa dessa bygger man in ändresistorer som kan sitta antingen i de två styrenheter som sitter längst ut i nätverket eller separat. Ändresistorer kallas också: ändmotstånd, dämpmotstånd, slutmotstånd, termineringsmotstånd m.m.

Styrenhet 1

120 Ω ± 12 Ω Ändresistor

Styrenhet 2

Styrenhet 3

CAN-H CAN-L

Styrenhet 4

120 Ω ± 12 Ω Ändresistor

Resistorer längst ut i den fysiska nätverksbussen, nätverkskabeln, dämpar signalreflexer.

105

Nätverkstopologier

Databussar kan kopplas samman på olika sätt, detta kallas nätverkets topologi. Den vanligaste typen är den linjära bussen. Denna topologi gör det relativt enkelt att koppla in och ur enheter. Om en enhet slutar sända fungera övriga enheter med det förbehållet att de kanske saknar viss information från den enhet som fallit från. Stjärnbussen har samma fördel med att en enhet kan falla ur utan att det stör övriga enheter. Det är enkelt att byta ut eller komplettera med nya enheter. Nätets stora svaghet är att om den hub som sitter i stjärnans mitt faller ur slutar nätet att fungera. I ringnätet går alla meddelanden genom varje enhet som läser meddelandet, förstärker signalen och skickar det vidare till nästa enhet. Ofta används den topologin i Master-Slave-nätverk.

Hub

Linjär

Stjärn

Ring

Näten kan byggas med olika topologi. Linjär- och stjärnbussar är parallellkopplade. Ibland kan dessa två kombineras genom att de kopplas samman i kopplingspunkter. Kopplingspunkterna kallas hubbar. Ringbussen är seriekopplad och har mottagare samt sändare som skickar signalen vidare.

Det förekommer att man blandar olika topologier i nätverk. Kombinerad linjär- och stjärnbuss förekommer i vissa premiumbilar. Vid hubbarna kan delar av nätet kopplas loss för en effektiv felsökning. En orsak till att man blandar olika topologier och nätverkstyper är att man strävar efter att få korta bussledningar eftersom långa bussledningar gör att överföringshastigheten dras ned. Kombinerad linjär- och stjärnbuss förekommer i vissa premiumbilar. Vid hubbarna kan delar av nätet kopplas loss för effektiv felsökning.

ECU Hub ECU ECU

ECU

ECU (Gateway)

ECU

ECU Hub ECU

Klockfunktion

Tid är ett mycket viktigt begrepp för att datasystem ska fungera. En tidkrets ser till att alla delar i systemen går i samma takt genom att hålla en mycket exakt frekvens. Klockans frekvens ligger till grund för alla beräkningar och all ”tidtagning” som ständigt sker. Det kan gälla allt från insprutningstid för bränsle, när gnistan på tändstiftet ska komma eller hur lång tid en värmeruta ska vara inkopplad om föraren glömmer stänga av den.

106

Gateway

I fordonen finns som nämnts oftast flera nätverkstyper med olika prestanda som styrs av olika protokoll. För att data ska kunna föras över mellan nätverkstyperna krävs en s.k. ”gateway”. Detta är en enhet som kan konvertera, översätta, informationen mellan olika kommunikationsprotokoll. Exempelvis mellan CAN HSnät och LIN-nät.

01001001 10 11010011 10

0100100110 0100100110 1101001110 1101001110

01001001 10 11010011 10

010 11010100110 0011 10

10 0100100110 01001001 10 1101001110 11010011

010 11010100110 0011 10

Gateway

0100100110 0100100110 1101001110 1101001110

10 0100100110 01001001 10 1101001110 11010011

Gateways kan ses som en ”busshållplats” där meddelanden kan byta busslinje.

Reset-funktion

De flesta personer som använder datorer har nog upplevt att de någon gång kan låsa sig. Ibland kan det enda sättet att komma ur låsningen vara att starta om datorn. Eller att batteriet måste tas ur t.ex. en mobiltelefon som låst sig. Det som händer när man bryter spänningen eller startar om är att en förprogrammerad ”reset-funktion” träder in och återställer värden så att datorn, telefonen, fungerar igen. I fordon kan det bli ännu lite mer komplicerat på grund av att man ofta har en immobilizer i systemen som ska skydda vid stöldförsök. ”Märkliga” saker kan hända när spänningen sjunker i moderna fordon som har nätverkskommunikation t.ex. CAN. Exempel på sådana händelser kan vara att lyktor tänds, att motorn inte startar eller att andra aktuatorer aktiveras utan att föraren gör något. Sådant kan hända om spänningen kommer under den nivå när ettor och nollor kan tolkas tydligt, men ändå över den nivå när reset-funktionen ingriper. Detta är viktigt att tänka på när man vet att system i fordonet varit utsatt för en varierande spänning. Om spänningen kommit ner till en nivå där en reset kan ske, så är det också bra att känna till att detta tar en viss tid. Det kan vara nödvändigt att vänta en stund tills att hela reset-processen är fullbordad. Likaså är det viktigt att ett fordon underhållsladdas under tiden nerladdning av mjukvara sker för att undvika att näten blir instabila.

EOBD European On-Board Diagnostics

Vägen in i bilens nätverk är OBD-uttaget. Sedan 2001 finns en europeisk standard EOBD för dels den fysiska utformningen, dels hur man ska kunna läsa information, felkoder m.m. Kontaktdonet i fordonet ska vara en sextonpolig hon-kontakt som är placerad vid förarplatsen. 15 spänning ej standard

Buss positiv SAE J1850

31 batteri- Signalminus minus

CAN-H K-ledning

Buss negativ SAE J1850 Stiftfunktion enligt ISO-norm

CAN-L

L-lina 30 batteriplus

Stift ej anslutna

Placering i Volvo V50.

107

LIN

LIN-nätverken, Local Interconnect Network, används allt mer och på många ställen i fordonen. Ofta används flera separata LIN-nät i samma fordon. LIN används mest i karosstillämpningar som inställning av speglar och säten, fönsterhissar, klimatsystem samt i belysningssystem. Överföringshastigheter på upp till 20 kbit/s räcker gott för dessa tillämpningar. LIN är ett s.k. master-slave-system där en huvudenhet styr all kommunikation. Därför behövs ingen arbitrering av meddelandena. Ofta är det en styrenhet i CAN som är master och samtidigt en gateway. Styrenheterna är enkla och har ingen egen klocka, den finns i mastern. I ett LIN-nät kan det finnas upp till 16 styrenheter. LIN använder endast en bussledning och eftersom UART Rx Master 1 KΩ överföringshastigheten är så låg behövs inte några ändSlave 30 KΩ Tx resistorer. Överföringen sker genom seriell kommunikaFysiskt tion. interface Ofta byggs sensorer eller aktuatorer så att de kan kommunicera direkt med nätverket och blir då själv en styrenhet. Det passar bra i system som har låga krav på överföringshastighet. Systemjord BussBatteriNär LIN är i ”sleep mode”, i vila, har signalen batteri(GND) ledning spänning spänning. När kommunikation pågår är medelspänningen ca två tredjedelar av batterispänningen d.v.s. 7 till 9 Signalnivåer volt. Alla styrenheter kan väcka systemet genom att dra Batterispänning 80 % ner spänningen mot chassijord. Då ”vaknar” mastern Recessiv Logiskt 1 och börjar kommunicera. Dominant Logiskt 0 Eftersom LIN endast har en bussledning, så har det 20 % ingen fysisk redundans, ”back-up”, om det uppstår ett Systemjord (GND) Tid fel på bussledningen. Men systemet är mycket tåligt mot störningar, spänningssignalen kan avvika upp till 20 % från de normala nivåerna utan att systemet störs ut. 0

CAN

CAN-systemen, Controller Area Network, började utvecklas under 1980-talet av BOSCH. CAN har fastställts i flera ISO-standarder och används för många olika uppgifter. Här beskrivs endast två huvudtyper, men fordonstillverkarna specialiserar CAN-nätverk för olika syften och ger nätverken märkesspecifika beteckningar. CAN delas upp i två huvudtyper beroende på överföringshastighet, och de är beskrivna i olika standarder. • Låghastighets-CAN-LS, CAN Low Speed, som har en prestanda på upp till 125 kbs. • Höghastighets-CAN-HS, CAN High Speed, som har en prestanda mellan 125-1000 kbs.

Båda dessa CAN-varianter är s.k. händelsestyrda system. Det finns också en tredje variant TT-CAN som är både tid- och händelsestyrd. När vi kallar CAN ”händelsestyrd” stämmer det inte helt. I ett CAN-system skapas meddelanden, frames, dels av händelser, exempelvis att föraren trampar på bromspedalen s.k. Event frames. Men också automatiskt med ett bestämt tidsintervall, Periodical frames, exempelvis data angående vevaxelns position och varvtal. Men alla meddelanden konkurrerar enligt bestämda regler om att få tillgång till bussen. För att viktiga meddelanden ska få förtur på bussen har alla typer av meddelanden en identifikator. När flera meddelanden konkurrerar om busstillgången vinner det mest

108

Följande CAN-nätverk finns i Volvo XC90 (2015). Body CAN Propulsion CAN Chassis CAN Safety CAN protected Safety CAN exposed Privat CAN, ECM och DPSM Källa Volvo Personvagnar AB

prioriterade meddelandet busstillgång och sänds först. Detta förfarande kallas arbitrering. Ordet arbitera betyder ung. skilja ut, välja ut. CAN är ett multimastersystem, vilket innebär att alla styrenheter kan sända och ta emot meddelanden.

RPM

Seriell kommunikation (databuss) RPM

CAN är ett seriellt nätverk där meddelanden skickas på en tvåtrådig buss. Via databussen kan en styrenhet ge ut informationen från en sensor till alla anslutna styrenheter.

CAN-bussen

Den fysiska bussen består av två isolerade kopparledningar på 0,3 – 0,6 mm² som är tvinnade runt varandra, Twisted Pair. De två ledningarna kallas CAN H och CAN L. H står för High, hög. L står för Low, låg. Att ledarna betecknas High och Low beror på att de har olika spänningsnivåer. De sänder samma information samtidigt, men de använder motsatta spänningsnivåer. High är den av bussledningarna som ökar i spänning när den sänder en nolla. OBS! Förväxla inte beteckningen CAN HS, High Speed, med CAN H.

CAN H Spänning Databuss

Udiff

Tid CAN L

Databussen består av två tvinnade ledare, Twisted Pair. En s.k. balanserad bussledning.

Det borde egentligen vara tillräckligt med en ledare för att sända informationen, men två ledare ger fördelar: • Spänningen, UDiff på bilden ovan, mellan de båda bussledarna behålls även om bussen störs av magnetfält utifrån. Orsakar en störning via induktion att spänningen höjs, så höjs spänningen i båda ledarna lika mycket och precis samtidigt. Spänningsskillnaden, som styrenheten avläser som etta eller nolla förändras inte.

109

Fel i CAN Low Speed

Normalt sänder de båda ledningarna CAN L och CAN H samma information samtidigt. Men de använder motsatta spänningsnivåer, High är den av bussledningarna som ökar i spänning när förmedlar en bit som är en nolla.

4,8 V 5

CAN L

3,6 V 2,5 V 1,4 V CAN H

0,2 V

Meddelande

Tid

Kortslutning mellan CAN H och CAN L

Om det uppstår en kortslutning mellan CAN H och CAN L får vi två identiska kurvor. Vilket är ganska naturligt när ledningarna har direkt metallisk kontakt med varandra. I låghastighetsbussen, CAN Low Speed, finns inga ändresistorer som annars skulle kunna påverka. Vid kortslutning går systemet över till entrådsdrift, vilket på engelska heter singel wire. Informationen sänds endast i CAN H. CAN L fungerar men känslig för yttre störningar. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0,1 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN H och CAN L.

Kortslutning mellan CAN H och plus

Vid en kortslutning mellan CAN H och batteriplus ligger spänningen hos CAN H konstant på batterispänning, drygt 12 volt. CAN L fungerar normalt. CAN L

5 Volt/Div

CAN H

0,1 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN H och batteriplus.

117

Kortslutning mellan CAN H och jord

Vid en ren kortslutning mellan CAN H och systemjord ligger spänningen hos CAN H konstant på noll volt. CAN L fungerar normalt. CAN L

5 Volt/Div

CAN H

0,1 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN H och systemjord.

Kortslutning mellan CAN L och plus

Vid ren kortslutning mellan CAN L och batteriplus ligger spänningen hos CAN-L konstant på batterispänning, drygt 12 volt. CAN H fungerar normalt. CAN L

5 Volt/Div

CAN H

0,1 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN L och batteriplus.

Kortslutning mellan CAN L och jord

Vid en ren kortslutning mellan CAN L och systemjord ligger spänningen hos CAN L konstant på noll volt. CAN H fungerar normalt. CAN L

5 Volt/Div

CAN H

0,1 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN L och systemjord.

118

Avbrott i CAN H eller CAN L

Ett avbrott på en CAN-ledning kan visa sig olika sätt. Det kan bli ett helt bortfall av signal eller en felaktig signal. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0,02 ms/Div Bilden visar spänningskurvorna vid ett avbrott på H där en enstaka bit visar sig som en spänning på cirka 4 volt. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0,02 ms/Div Ett avbrott i L kan visa sig på motsvarande sätt.

Förväxling av CAN L och CAN H

CAN-bussledningar kan skarvas om det görs noggrant och på rätt satt. Men skulle kablarna av misstag förväxlas fungerar inte kommunikationen normal. Vanligen ger detta felkoder som anger kommunikationsproblem. 50 mm

100 mm

119

Felsökning i CAN High Speed

I höghastighetsbussen CAN High Speed är båda ledningarna parallellkopplade genom ändresistorer. Därför påverkar ett fel på ena ledningen ofta båda ledningarna. Kommunikationen fungerar inte. Till skillnad mot CAN Low Speed som ofta kan gå över i entrådsdrift och fortsätter fungera. Genom att mäta spänningen mellan CAN H och CAN L med tändningen påslagen ser man om det pågår någon kommunikation. Spänningsdifferensen mellan ledningarna ska vara ungefär 0,5 – 0,6 volt när det finns en felfri kommunikation. Om någon styrenhet stör nätet så blir spänningen högre. Att mäta spänningsdifferens samtidigt som man gör en styrenhet i taget spänningslös är ett effektivt sätt att hitta den felaktiga styrenheten. Metoden kallas successiv elimination. När spänningsdifferensen går ner till normalt värde, 0,5 – 0,6 volt, så har man hittat den felaktiga styrenheten.

Kortslutning mellan CAN H och CAN L

Vid kortslutning mellan kablarna lägger sig spänningen konstant på cirka 2,5 volt med ett lätt ”brus” på signalen i båda ledningarna. Spänningsdifferensen mellan kablarna är nära 0 volt. Kommunikationen fungerar inte alls, men startar vanligen och fungerar så snart kortslutningen försvinner. Vid en resistansmätning mellan ledningarna är resistansen cirka 0 ohm, oavsett var i kretsen kortslutningen finns. Styrenheterna kan kopplas ur efterhand för att avgöra om kortslutningen finns i någon av styrenheterna. Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN L och CAN H. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0,02 ms/Div Principbild för hur spänningskurvorna kan se ut i CAN L och CAN H vid en kortslutning mellan CAN L och CAN H.

120

Kortslutning mellan CAN H eller CAN L till batteriplus

Vid en kortslutning mellan CAN H och batteriplus höjs spänningen på CAN H till nära 12 volt. Signalen på CAN L kommer också att stiga till 12 volt. Orsaken är att H- och L-ledningarna är parallellkopplade genom ändresistorer. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0 0,02 ms/Div

En kortslutning mellan CAN H och batteriplus. CAN L

2 Volt/Div

CAN H

0 0,02 ms/Div

En kortslutning mellan CAN L och batteriplus visar sig på liknade sätt.

Kortslutning mellan CAN H eller CAN L till jord

En kortslutning mellan CAN H eller CAN L till jord drar ner spänningen i båda ledningarna mot 0 volt, fastän mindre spänningar kommer att synas när någon styrenhet försöker sända. 0,5 Volt/Div

0 2 ms/Div Kortslutning mellan CAN H eller L mot jord visas här på ett tvåkanals oscilloskop. Båda signalerna ligger nära noll volt. Mindre spänningar kan synas när någon styrenhet försöker sända.

121

Resistansmätning i CAN High Speed

Mellan ändarna på bussledningarna i CAN High Speed sitter ändresistorer. Deras totala resistans kan kontrollmätas exempelvis genom OBD-uttaget. Batterikabeln på minuspolen måste vara borttagen vid resistansmätningen. Resistansen ska vara ca 60 ohm. För att säkerställa att ingen CAN-ledning är kortsluten till jord eller till spänningsmatning mäts resistansen mellan respektive CAN-ledning och spänningsmatning eller jord. Resistansen ska vara över 1 kΩ i båda fallen. Om resistansen är under 1 kΩ tyder detta på en kortslutning mellan en CAN-ledning och jord eller spänningsmatning. 60 Ω

1 kΩ

CAN H

1 kΩ

CAN H

CAN L

Felsökning på LIN-buss

CAN L

Spänningsmätning på LIN-buss görs i första hand med en mätbox vid LIN-nätets masternod. I andra hand kan den göras vid en lättåtkomlig LIN-slavnod. Mät då på baksidan av kontaktstycket om det är möjligt så att kontaktstiften inte skadas. För att veta mellan vilka kontaktstift du ska mäta måste du läsa ut detta i ett elschema. När det är en normal kommunikation på bussen ska spänningen mellan stiften ligga mellan cirka 5 och 10 volt. När en felfri LIN-buss är i viloläge ska signalens spänningsnivå nära ca batterispänning.

– +

Om du inte har tillgång till en mätbox så mät på baksidan av kontaktstycken för att inte skada kontaktstiften.

122

Trådlös kommunikation Detta avsnitt behandlar översiktligt trådlös kommunikation med två syften: • Intern kommunikation mellan fordon och handhållna enheter • Extern kommunikation mellan fordon och mobilnät

Bluetooth

För trådlös kommunikation, främst inne i kupén, används Bluetooth. Standarden började utvecklas 1994 av bl.a. det svenska företaget Ericsson. Bluetooth använder det licensfria frekvensbandet 2,4 gigahertz vilket är ett spann mellan 2,4 till 2,485 gigahertz. Detta är samma frekvensband som används för WiFi-nät, WLAN. Bluetooth används främst för kommunikation på relativt korta avstånd. För att två enheter ska kunna kommunicera måste de paras samman, s.k. pairing. Kommunikationen är krypterad och sker med ständiga frekvenshopp för att minska risken för störningar från annan kommunikation på samma frekvensband. Frekvenshoppen sker många hundra gånger per sekund. Bluetoothkretsar är effektsnåla och fungerar bra även i miljöer med elektromagnetiska störningar. Bluetooth används främst för kommunikation mellan mobiltelefon och system som ljud- och bildanläggning.

Telematik När man talar om telematik i bilar så syftar man på tekniken som kopplar upp dem till trådlösa telefon- och dataöverföringsnät. Detta är ett teknikområde där det bedrivs intensiv forskning och utveckling. En bil är utrustad med många sensorer. Informationen från dem används ständigt av bilens olika datorstyrda system. Men denna information kan även sparas, behandlas, och sändas av bilen till dataservrar som kan spara oerhört stora datamängder. I takt med att bilar utrustas med att fler och allt bättre sensorer samlas allt mer data in. Allt från förarens körsätt, felkoder, väglag, rådande väder till hur omgivningen ser ut. Den här informationen analyseras och kan användas för flera olika syften av flera olika företag. Här tar vi upp endast några exempel på hur insamlad information kan användas.

Vid nödsituationer

Genom nätuppkopplingen kan bilen automatiskt kontakta en larmcentral när exempelvis en krockkudde löst ut och lämna GPS-koordinater som kan användas av räddningstjänsten. Volvo har sedan flera år ett system som kallas Volvo on call, andra tillverkare har liknande system. • eCall, nödsamtal • bCall, vägassistans

123

Andra syften

Flera stora producenter av operativsystem och appar för datorer och telefoner anpassar sina system för kommunikation med fordon. Detta gör det bl.a. möjligt att kommunicera med fordonet via mobiltelefoner. Man kan till sin telefon få information om fordonets status, exempelvis bränslenivå i tanken, om bilen är låst m.m. Man kan starta motorn eller kupéuppvärmning m.m. Även vissa programuppdateringar i bilens styrenheter kan göras via uppkopplingen. Här är några exempel på vad tekniken kan användas för. • Föraren kan varnas för trafikstockningar, dåligt väglag m.m. • Förare och passagerare når internet, epost, bokningstjänster och service av olika slag. • Ger möjlighet till fordonsdiagnostik, felsökning, på distans från en verkstad. • Data insamlade vid olyckor kan bidra till säkrare bilar och vägar. • Servicetillfällen kan schemaläggas. • Företag med transportfordon och företagsbilar kan använda tekniken för exempelvis omdirigeringar i realtid, system för körjournaler m.m. • Föraren kan få information om var det finns parkeringsplatser och ledas dit av navigationssystemet. Få information om det finns lediga parkeringsplatser, pris m.m.

Uppkoppling via OBD

Telematik byggs in i nya bilar, men det finns även märkesobundna uppkopplade system som i efterhand kan anslutas i OBD-kontakten. Ett par exempel är Telia Sense och Telenor Connect. Genom dessa kan bilägaren få ut olika typer av information om hur bilen använts m.m. Syftet kan exempelvis vara att lära sig köra bränslesnålt, ett annat syfte kan vara att dela informationen med sitt försäkringsbolag för att få en lägre försäkringskostnad. Fordonstlverkare Försäkringsbolag

GPS

Trafikinformation Andra företag

Larmcentral Callcenter

Telefonnät Dataöverföring Dataserver

Räddningstjänst Bärgning

Mobil Andra trafikanter

Verkstad

Information kan föras vidare till olika företag Dataserver Den information sensorer samlar in behandlas och sänds till en eller flera dataservrar. Informationen kan användas i en mängd olika syften.

124

7 Sensorer ”… anordning som känner av absolutvärdet eller ändringen av en fysikalisk storhet som tryck, temperatur, flödeshastighet eller pH-värde eller intensiteten för ljus, ljud eller radiovågor och omvandlar informationen till en form som lämpar sig för ett datainsamlande system.” Källa: Nationalencyklopedin.

Sensorer kallas ofta även för givare eftersom de ger information om något. I ett modernt fordon finns många olika typer av sensorer som lämnar en mängd olika data, ”in-signaler”, till styrenheterna. För vissa komponenter har det bildats en tradition, en norm, att den kallas sensor eller givare. Ett sätt att definiera betydelsen av orden sensor och givare är att en sensor är den komponent som mäter den aktuella storheten. En givare är hela den enhet som monteras i fordonet. Alltså kan en givare innehålla en eller flera sensorer, men även elektronikkretsar som förstärker och, eller, omvandlar formen på den signal som skickas till styrenheten. En enkel typ av givare är stoppljuskontakten. Den har endast två lägen, till eller från, en on-off-funktion. En mer avancerad sensor kopplad till bromspedalen är pedallägessensorn. Den kan känna av många lägen hos bromspedalen och därmed ge information om hur mycket och hur snabbt bromspedalen trampas ner. En sensor är kopplad till en styrenhet som ”läser” dess signal. Men eftersom fordonets styrenheter är sammankopplade i ett nätverk kan i princip alla styrenheter få ta del av en sensorns mätvärde. Mätvärdet från en enskild sensor kan alltså utnyttjas av flera olika system, funktioner, i ett fordon.

Sensortyper

Vi kan göra en indelning av sensorer beroende på om de behöver ha en spänningsmatning eller ej. En passiv sensor behöver inte någon spänningsmatning att fungera. En aktiv sensor måste anslutas till en spänningskälla för att fungera. Vidare kan man dela in sensorer i tre grupper utifrån deras utsignal.

Sensorer med analog utsignal

Oberoende av hur själva sensorn ”mäter” en storhet, så är signalen till styrenheten oftast en analog elektrisk storhet som: spänning, resistans, frekvens m.fl. Men styrenhetens mikrodator kan inte hantera analoga signaler, alltså måste signalen från givaren A/D-omvandlas innan mikrodatorn i styrenheten kan använda informationen. A/D-omvandling, digitalisering, innebär att ett ögonblicksvärde, ett momentanvärde, av exempelvis en spänning omvandlas till ett siffervärde, oftast ett binärt tal.

Sensorer med digitalt formad utsignal

Många sensorer lämnar en digitalt formad signal, exempelvis hallgivare eller GMR-sensorer. Ett annat exempel är en strömbrytare som i princip lämnar ”på eller av” information. Men även signaler med digital form måste digitaliseras innan styrenhetens mikrodator kan använda informationen.

Sensorer med digitaliserad utsignal

Det finns sensorer, givare, med inbyggd A/D-omvandlare och egen transmitter. Detta innebär att sådana sensorer kan vara inkopplade direkt på fordonets datanätverk.

125

Personbilsteknik

Elsystem, komponenter och nätverksteknik Fakta

Elsystem, komponenter och nätverksteknik

Sven Larsson Anders Ohlsson

Fakta

AVD. 3 Elsystem, komponenter och nätverksteknik – Fakta Avd.3

ISBN 978-91-40-69133-0

789140 691330

Avd. 3