Impulsbreddemodulation (PWM) i forbindelse med billygter. Elektriske komponenter. Teknisk service. Fra idé til succes. Termokontrol.

Transkript

1 Belysning Elektriske komponenter Elektronik Termokontrol Salgssupport Teknisk service Fra idé til succes Impulsbreddemodulation (PWM) i forbindelse med billygter Ideer til biler

2 Indledning I moderne biler er der monteret et utal af aktuatorer til mange forskellige opgaver. Det kan være både til motorkølerens ventilatormotor, airconditionanlæggets blæsermotor eller også pærer. Alle disse aktuatorers effekt skal reguleres afhængigt af situationen. Det har dog kun været gældende for pærerne i de sidste par år. I denne brochure vil vi præsentere impulsbreddemodulationen (PWM) som effektregulering med dens egenskaber og særlige forhold. Den klassiske måde at regulere aktuatorers elektriske effekt på er at tilslutte en regulerbar eller fast modstand foran aktuatoren. Denne modstand er indstillet således, at den tilbageværende elektriske spænding i aktuatoren svarer til den ønskede værdi. Forskellen mellem disse to værdier omsættes så af modstanden til varme. Som følge af dette fås et betydeligt effekttab afhængigt af den effekt, som skal reguleres. Den allerede nævnte varmeudvikling er endnu en faktor, som skal tages med i betragtning. Hvis modstandene opvarmes kraftigt under en regulering, skal de afkøles, f.eks. ved hjælp af køleribber. Et eksempel på sådan en regulering er på ældre biler indstillingen af forskellige omdrejningstal, f.eks. blæsermotoren på Golf II. Et andet sted, hvor sådan en regulering anvendes, er forlygterne. Bilproducenterne havde for nogen tid siden følgende problem: På den ene side bliver forsyningsspændingen hele tiden højere og højere (af og til op til 15 V) for at kunne forsyne det konstant voksende antal styreenheder i bilerne. På den anden side har vi forlygtepærerne, som ikke kan tåle denne høje spænding. Årsagen er pærernes nominelle spænding, der er på 13,2 V. Man kunne jo sige, at en volt mere eller mindre vel ikke er så slemt, men den vurdering passer ikke. Tommelfingerregel: Hvis man øger forsyningsspændingen til en pære med 5 %, stiger lysstrømmen med 20 %, men samtidig halveres levetiden. Defor anvendes der på nogle bilmodeller faste formodstande, således at forsyningsspændingen så vidt muligt holdes omkring 13,2 V. Men disse faste modstande har den ulempe, at de ikke kan reagere på en svingende forsyningsspænding. Levetid afhængig af bilens interne spænding Levetid i % Spændingsforøgelse i % 2

3 Lad os se på et eksempel: Hvis andre forbrugere som f.eks. el-bagrude og kabineblæser tændes, falder forsyningsspændingen med 0,6 V. Hvis forsyningsspændingen før var 13,2 V, falder den nu til 12,6 V. Det bevirker, at pærerne nu tydeligt mister lysstrøm. Men hvordan holder man forsyningsspændingen til pæren næsten konstant? Her kommer impulsbreddemodulationen så ind i billedet. Hvad er impulsbreddemodulation? Med denne regulering tændes og slukkes en forbruger, f.eks. en pære, i et bestemt tidsrum. Under denne proces genereres det typiske firkantssignal. Hvis denne proces gennemføres meget hurtigt og periodisk, kan pærens effekt reguleres ved hjælp af impuls- (tændt)/-pause (slukket) -forholdet. Man kunne også sige: Ved impulsbreddemodulation varieres tænd-/sluk-tidsrummet for et firkantsignal, hvor der samtidig er en fast grundfrekvens. Hvordan fungerer impulsbreddemodulation? Først og fremmest bør man vide, at det er en egenskab hos elektriske forbrugere, at de er træge. Denne egenskab udnytter PWM-teknikken. Lad os tage et eksempel: Du sidder i biografen og ser en film. Din hjerne fortæller dig, at der her er tale om en hurtig visning af billeder i rækkefølge. Men fordi din iagttagelsesevne er for træg til at kunne se de enkelte billeder, ser du et kontinuerligt forløb. Lad os nu overføre dette eksempel til en helt normal 230 V/40 watt-pære. Selvom el-nettets sinusspænding for hvert 10. ms er nul og altså egentlig er slukket, kan man konstatere, at lampen ikke flimrer. Men hvorfor gør den ikke det? Lysstrømmen i en pære afhænger bl.a. af varmen i wolfram-tråden. Men denne tråd skal bruge et vist tidsrum, før den er blevet opvarmet og afkølet igen. PWM er ikke andet end en hurtig tænd/sluk proces, som gentages hele tiden. Forestil dig, at du tager en pære og slutter den til 12 V. Lampen skal bruge 10 sekunder til at nå driftstemperaturen. Nu slås forsyningsspændingen til og fra hvert sekund. Du vil kunne se, at pæren har omtrent samme lysstyrke, som om der i stedet for de tilsluttede og afbrudte 12 V hele tiden er tilsluttet 6 V. Da pæren ikke har mulighed for at blive helt opvarmet og helt afkølet, fremkommer denne værdi. Man taler også om den såkaldte middelværdi. Lampen blev tændt i et sekund og slukket i et sekund. Det svarer til en omkoblingstid på 2 sekunder, dvs. 50 % af 12 V = 6 V. Hvis man nu tænder lampen i et halvt sekund, og slukker den i tre halve sekunder får man forholdet 1:3. Det tidsrum, hvor lampen er tændt, er altså en fjerdedel af den samlede omkoblingstid. Den samlede omkoblingstid kaldes for perioden. I dette eksempel ville der med en tilsluttet forsyningsspænding på 12 V fremkomme en kontinuerlig spænding (middelværdi) på 3 V. 3

4 Men hvis det, vi tidligere kaldte for "biografeffekten", skal opstå, skal reguleringen udføres med en passende hastighed. I en VW Golf V ligger PWMfrekvensen på 100 Hz (udvendige lygter), dvs. at signalet gentages 100 gange i sekundet. I bilen genereres PWM ved hjælp af en microcontroller i lysanlæggets styreenhed. Her kommer de vigtigste begreber en gang til: Taktforhold: Periode: Tændt tidsrum: Slukket-varighed: PWM-frekvens: Forholdet mellem tændt tidsrum og periodevarighed (angives i procent). Det tidsrum, som signalet varer (samlet omkoblingstid), indtil det gentages. Det tidsrum, hvori spændingen er tilsluttet (Ttil) (impulsbredde). Det tidsrum, hvori spændingen er afbrudt (Tfra). Den frekvens, hvormed signalet gentages. På det viste diagram tydeliggøres sammenhængene endnu engang U Periode 12 V Maks. spænding Ttil Tfra 3 V Resulterende spænding (middelværdi) 0 V T Min. spænding Impulsbredde 0s 2s 4s 6s Det var så teorien. Vi skal nu "opsnuse" PWM med oscilloskop og multimeter på lysanlægget i en VW Golf V

5 Impulsbreddemodulation i praksis Men først lige et par bemærkninger om fremgangsmåden under målingen. Du bør så vidt muligt undgå at stikke hul i ledningerne, da der så kan trænge vand ind i kablet gennem åbningen (afhængigt af monteringssted), som derefter fører til korrosion i kabelisoleringen. Det er meget vanskeligt at finde fejl, som er fremkaldt på grund af huller i isoleringen. Forskellige bilproducenter tilbyder et større eller mindre udvalg af de såkaldte Y-adaptere. Men på grund af de mange forskellige tilslutningsstik er det næsten umuligt at have alle Y-adaptere på værkstedet. En ret enkel og praktisk mulighed er adgangen fra stikkenes bagside. Måling uden beskadigelser kan udføres ved hjælp af "prøvespidser", der i bedste fald også kan bøjes. Målingerne udføres på højre nærlys' stiktilslutninger (ben 6 / 56b og ben 5 / 31 på centralstikket). 5

6 De følgende måleværdier kan dog være forskellige afhængig af motorvariant. Den målte interne spænding i bilen er på 14,7 V. Ud over nærlyset er der ikke tændt andre forbrugere. Man kan tydeligt se omkoblingstiderne. Hvis man går ud fra den første periode, var spændingen tændt i 9,2 ms og slukket i 0,8 ms. Ved en intern spænding på 14,7 V reduceres spændingen altså med 1 V ved hjælp af PWM. PWM-frekvensen ligger på 100 Hz. Nu tændes der to forbrugere. Det er tydeligt at se, at impulsbredden bliver mindre og mindre. Årsagen til dette er den faldende interne spænding, som også falder på grund af belastningen. 6

7 Så tænder vi endnu en forbruger. Nu er impulsbredden så godt som umulig at se. Da pærens optimale driftsspænding næsten er nået, skal styreenheden for belysningen kun regulere bilens interne spænding en smule. Når der tændes flere forbrugere, falder bilens interne spænding så kraftigt, at spændingsreguleringen ikke er nødvendig, og der kan derfor heller ikke længere måles nogen periodefrekvens. Der er også PWM ved baglygterne på Golf V. Ved hjælp af PWM er det muligt at bruge en 21 W-pære både til bremselyset og til baglyset. Målingerne udføres på højre bremse-/baglygtepæres stiktilslutninger (ben 3 / 58Rb og ben 1 / 31 på centralstikket). Impulsbredden ændres således, at 21 W-pæren næsten har samme lysstrøm som en 5 W-pære. 7

8 Når bremsen aktiveres, er aktiveringstiden så lang, at der er sluttet 13,5 V til bremselyset, og 21 W-pæren afgiver den fulde lysstrøm. Når bremsen slippes igen, skifter spændingen tilbage til 5,74 V. Fordele og ulemper ved impulsbreddemodulation En afgørende fordel ved at bruge PWM i bilers elektronik er, at den elektroniske omskifter i styreenheden arbejder digitalt. Det betyder, at den enten åbner helt eller lukker helt. Resultatet er en enorm reduktion af det elektriske effekttab. PWM giver flere fordele i forbindelse med bilernes lysanlæg. Der kan anvendes de samme pærer til forskellige funktioner, og pærernes levetid øges. Den eneste ulempe ved denne regulering er, at der kan blive afgivet elektromagnetisk støj til bilens ledningsnet på grund af eventuelle meget hurtige impulsflanker og høje takthastigheder. Dette forhindres ved at anvende passende støjfiltre. Hella KGaA Hueck & Co., Lippstadt 99Z HA/07.06/5.5 Printed in Germany Import: Hella A/S 6340 Kruså Aabenraavej 13 Telefon Fax Ordrefax [email protected] Ideer til biler