מבוא לחיישנים ומפעילים

מערכות מבוקרות מחשב מנטרות באופן רציף את תנאי העבודה של הרכבים המודרניים דרך חיישנים. המחשבים מקבלים מידע חיוני על מספר תנאים, מה שמאפשר ביצוע שינויים מינוריים מהר יותר ובאופן מדויק יותר ממערכות מכאניות. חיישנים ממירים טמפרטורה, לחץ, מהירות, מיקום ומידע נוסף לאותות חשמליים, דיגיטאליים ואנלוגיים.

מידע דיגיטלי הוא אות מתח אשר קיים או לא, ללא שום דבר באמצע. מתג הוא הצורה הפשוטה ביותר של אות חיישן דיגיטאלי. האות ממתג יכול להיות 0 במצב מכובה ו-12 וולט במצב פעיל, למעשה חיישן דיגיטאלי הוא חיישן בינארי אשר יכול להחזיר ערך של 0 או 1. לאות אנלוגי מצד שני, יש מתח משתנה ללא הרף. דוגמא טובה לכך היא חיישן נוזל קירור. חיישן נוזל הקירור משנה את המתח בין אפס לחמישה וולט בהתאם לטמפרטורה של המנוע.

אות דיגיטאלי הוא הקל ביותר למחשב להבין מכיוון שהוא מוציא ערך 0 או 1 בלבד, בדיוק כמו שעובד המחשב. אות אנלוגי חייב להיות מעובד או מומר לאות דיגיטאלי כדי שהמחשב יבין אותו. ( המרת אותות תוסבר בהרחבה בהמשך).

בעוד שלרכב מודרני יש הרבה מאוד חיישנים שונים, והרבה יצרנים משתמשים במערכות שונות, קיימות שלוש קטגוריות חיישנים עיקריות :

· יצרני מתח

· משני התנגדות

· מתגים

חיישנים מסוג יצרני מתח, מייצרים אות מתח עצמאי בהתאם למצב המכאני אותו הם מנטרים. אות זה מוסר למחשב מידע על המערכת אותה הוא מנטר. חיישנים מסוג משני התנגדות מגיבים לשינויים במצבים המכאניים אותם הם מנטרים דרך שינוי בהתנגדות החשמלית שלהם. המחשב מספק להם מתח מבוקר או מתח ייחוס ומודד את נפילת המתח על המעגל כדי לקבוע את המידע. חיישני מתג ממתגים מתח מהמחשב מגבוה לנמוך, או מספקים אות מתח למצב פועל או כבוי למחשב. סוג זה של חיישנים יכולים להיות פשוטים כמו מתג אור-בלם או מורכבים כמו חיישן מהירות פוטו-אלקטרי.

המחשב משתמש במידע מהחיישנים כדי לשלוט במערכות רכב שונות תוך שימוש במפעילים שונים. מפעיל הוא אביזר אלקטרו-מכאני כגון ממסר, סולונואיד או מנוע. מפעילים יכולים לשלוט על מהירות סל"ד הסרק של המנוע, לשנות את גובה מערכת המתלים או לשלוט על כמות הדלק שמוזנת אל המנוע.

חלק זה של האתר מתאר מספר חיישנים ספציפיים אשר בשימוש נפוץ בעולם הרכב, כגון פוטנציומטרים, טירמיסטורים וחיישנים פוטו-אלקטריים וואריאציות של LED. החלק הזה יעסוק גם במפעילים אשר משלימים את תהליך השליטה והבקרה שמבצעים מחשבי הרכב, על-ידי מילוי ההוראות של המחשבים.

החיישנים והמפעילים מחולקים לארבע קבוצות עיקריות:

חיישנים משני התנגדות : חיישנים מייצרי מתח:

פוטנציומטרים פיאזו-אלקטריים

טירמיסטורים זירקוניה/ חמצן

פיאזו-התנגדותי השראה מגנטית

חיישני מיתוג: מפעילים:

פוטו-טרנסיסטור/LED מנועי צעדים

חיישני מהירות סולונואידים

חיישני תאוצה ממסרים

חיישנים משני התנגדות

פוטנציומטרים

פוטנציומטר הוא נגד משתנה אשר נמצא בשימוש נפוץ בתחום הרכב. לפוטנציומטר יש שלושה טרמינלים. אחד להספקת מתח, השני להארקה והשלישי מספק אות מוצא בצורת מתח משתנה. פוטנציומטר הוא אביזר מכאני אשר התנגדותו משתנה באמצעות מגע אשר נע על נגד קבוע. המגע נע על פני הנגד וכתוצאה מההתנגדות המשתנה, משתנה גם המתח. מתח המוצא עולה או יורד בהתאם למיקום המגע והמרחק שלו מאספקת המתח לנגד או מהמרחק מהמגע להארקה.

מד כמות אוויר מסוג מדף-נע מבוסס על פוטנציומטר. החיישן משנה את מתח המוצא שלו בהתאם לשינוי בזווית הפתיחה של המדף. המחשב מקבל את אות המתח ומנתח את כמות האוויר אשר נכנסת למנוע בהתאם למתח שמייצג את זווית פתיחת המדף.

שימוש נפוץ נוסף לפוטנציומטר הוא חיישן מיקום המצערת. הפוטנציומטר מחובר במקרה הזה לציר המצערת. כאשר הציר מסתובב מתח המוצא מהחיישן משתנה. מתח המוצא מספק מידע למחשב ניהול המנוע על זווית פתיחת המצערת, והמחשב מחשב את נתון דרישת הנהג.

טירמיסטורים

טירמיסטורים הם נגדים משתנים אשר ההתנגדות שלהם משתנה בהתאם לשינוי הטמפרטורה. טירמיסטורים יכולים להיות בעלי מקדם התנגדות שלילי NTC (Negative Temperature coefficient) או מקדם התנגדות חיובי PTC (Positive Temperature coefficient). אופיין ההתהגות של טירמיסטור בעל מקדם התנגדות שלילי קובע שההתנגדות שלו יורדת ככל שהטמפרטורה עולה. מנגד, אופיין ההתהגות של טירמיסטור בעל מקדם התנגדות חיובי קובע שההתנגדות שלו עולה ככל שהטמפרטורה עולה. לחיישן מסוג טירמיסטור יש שני טרמינלים. טרמינל אחד הארקה (לעיתים אין קו הארקה וההארקה מתקבלת דרך גוף החיישן), וטרמינל שני מקבל מתח ייחוס מהמחשב דרך נגד המחובר בתוך המחשב בטור. המחשב מנטר את המתח אחרי הנגד הקבוע ומשווה אותו למתח הייחוס אותו מקבל הקו כדי לקבוע את ההתנגדות של החיישן. היחס בין שני המתחים משתנה בהתאם לשינוי הטמפרטורה בטירמיסטור.

בחיישן חום נוזל קירור וחיישן חום האוויר (לעיתים משולב במד-כמות האוויר) בדרך-כלל טירמיסטורים מסוג NTC. משתמשים גם בטירמיסטורים כדי לשלוח אות טמפרטורה ללוח השעונים, וגם לטמפרטורה שמן מנוע וגיר.

פיאזו התנגדותי

חיישן פיאזו התנגדותי הוא מעגל התנגדות המורכב על גבי שכבת סיליקון דקה, על גבי ממברנה. עיוות פיסי של השכבה, אפילו במידה קלה, משנה את התנגדות המעגל. סוג זה של חיישן נמצא בדרך-כלל בשימוש כאמצעי למדידת לחץ בסעפת יניקה, לחץ במיכל הדלק אבל גם כחיישן המודד כח או עיוות של הרכב כחלק ממערכת ההגנה וריסון של הרכב.

אחד השימושים החשובים והנפוצים ביותר לחיישן פיאזו-התנגדותי הוא מדידת לחץ בסעפת היניקה, אשר מנטר את נפח האוויר בסעפת היניקה ומוסר את המידע למחשב ניהול המנוע. האות אותו הוא שולח למחשב משתתף בקביעת כמות הדלק הבסיסית ואת קידום ההצתה הבסיסי.

בתוך החיישן שבב סילקוני המשולב בתוך תא וואקום מוחלט. צד אחד של השבב חשוף לסעפת היניקה וצד שני נמצא בתוך תא הוואקום. שינוי בלחץ בתוך סעפת היניקה גורם לשבב הסיליקון להתעוות, ובכך לשנות את ההתנגדות שלו באופן יחסי לעיוות. מעגל פנימי ממיר את העיוות לאות מתח ושולח אותו למחשב, שמשתמש באות כדי לנטר את יחס האוויר/דלק. לחיישן שלושה טרמינלים, אחד להזנת מתח, שני להארקה ושלישי מספק את אות המתח למחשב. אות המתח משתנה ביחד עם לחץ האוויר בסעפת היניקה.

שימוש נוסף באותו החיישן הוא לחוש לחץ גדישה. במנועים מוגדשים, משתמשים בחיישן כדי לחוש לחץ הגבוה מלחץ אטמוספירי ולספק למחשב חיווי מתח מתאים. המחשב מתקן את תערובת האוויר/דלק בהתאם. כמו-כן, כדי למנוע נזקים למנוע, במקרה של גדישת יתר המחשב יכול להתערב ולתקן.

חיישנים מייצרי מתח

חיישנים פיאזו-אלקטריים

מתח פיאזו-אלקטרי נוצר על-ידי הפעלת לחץ על גבישים מסוימים, לדוגמא קווארץ, כאשר מתפתח הפרש פוטנציאלי, או מתח, על שטח הפנים של הגביש. כאשר הגביש מתכופף או רועד, מתח חלופין AC נוצר.

חיישני נקישות, אשר הפכו לנפוצים מאוד לאחרונה, מנצלים תופעה זו כדי לשלוח למחשב אות כאשר מתרחשת נקישה במנוע. המחשב בתגובה, מאחר את פעולת ההצתה כדי למנוע את תופעת הנקישה. חיישני נקישות מכילים מרכיב פיאזו אלקטרי אשר, כאשר הוא מתעוות כתוצאה מרעידת בלוק המנוע כאשר יש נקישה, מייצר מתח.

יש שני סוגי של חיישני נקישות בשימוש. הסוג הנפוץ מייצר מתח מוצא על טווח רחב, אבל האות המשמעותי ביותר הוא בתדירות של מעל 7 קה"צ. הסוג השני עובד על תהודה, אשר מייצר מתח משמעותי רק כאשר הוא נחשף לתהודה של מעל 7 קה"צ. מכיוון שאות המתח היוצא מהחיישן משתנה ללא הרף, המערכת רגישה מאוד להפרעות אלקטרו-מגנטיות והפרעות רדיו. אם הן מגיעות למחשב הן יכולות לגרום למחשב לטעות. מסיבה זו, החיווט של חיישן הנקישות למחשב עובר בתוך כבל מוארק מיוחד. היות והכבל מוארק, ההפרעות עוברות לגוף דרך ההארקה. אם כבל ההארקה נפרץ או משוחרר מהגוף, ההפרעות עלולות להגיע למחשב ולגרום לו לאחר את ההצתה ללא צורך, מה שיוביל לירידה בביצועים.

חיישני זירקוניה/ חמצן

חיישן החמצן, הממוקם בצינור הפליטה, בודק האם יחס האוויר/דלק עשיר/עני, ושולח אות למחשב ניהול המנוע אשר מבצע תיקונים בתערובת בהתאם. הדבר הכרחי לפעולה תקינה של הממיר הקטליטי.

ישנם שני סוגי של חיישני חמצן: זירקוניה וטיטניה. חיישן זירקוניה מורכב בצורת נורה מדו תחמוצת זירקוניה ZrO₂. פלטות דקיקות עשויה פלטינה מחוברות אחת לתוך הנורה ואחת מחוצה לה. הפלטה הפנימית חשופה לאטמוספירה והפלטה החיצונית חשופה לגזי הפליטה. כאשר החיישן מגיע לטמפרטורה של בערך 300 צלסיוס, יונים של חמצן טעונים נוצרים על פלטת הפלטינה. כמות החמצן לו נחשפת כל פלטת פלטינה קובעת כמה יונים יווצרו עליה. כאשר יש הפרש בין מספר היונים על שתי הפלטות, נוצר הפרש פוצנציאלי או מתח בין שתי הפלטות. ככל שיש פחות חמצן באגזוז, נוצר מתח גדול יותר. כאשר יש תערובת ענייה, נוצר מתח נמוך. מהצד השני, ככל שהתערובת עשירה יותר, המתח גבוה יותר.

השראה מגנטית

חיישני השראה מגנטית מכילים סליל מתכתי סביב ליבת ברזל ומגנט קבוע. המגנט יכול להיות נייח או נייד. אם המגנט הוא החלק הנייד, כאשר הוא עובר את הסליל נוצרים קווי כוח מגנטי בסליל ונוצר מתח. מכיוון שלמגנט שני קטבים, חיובי ושלילי, גם המתח שנוצר מתהפך בין חיובי לשלילי. כאשר עולה מהירות המגנט הסובב את הסליל, המתח המיוצר עולה והתדר של שינוי הקוטביות עולה. סוג זה של חיישן יכול לעבוד גם כאשר המגנט נייח ומחובר לסליל. כאשר גלגל שיניים מתכתי, או רוטור (עשוי מחומר מגנטי) מסתובב ועובר מעבר לסליל והמגנט, קווי הכוח המגנטי נעים וחותכים את השדה של הסליל. קווי הכוח החותכים את הסליל מייצרים את אותו סוג של מתח מוצא כמו שמיוצר כאשר המגנט נייד.

סוג זה של חיישנים נמצא בשימוש נפוץ בחיישני מהירות גלגל במערכות ABS, מפלגים כדי לקבוע מהירות מנוע, ומיקום גל ארכובה. מכיוון שמתח המוצא של חיישן זה משתנה כל הזמן ונמוך במהירויות נמוכות, המחשב חייב להיות מסוגל לנטר מתח נמוך. אם קו המוצא נתון להפרעות, המחשב יכול לטעות בניתוח האות. כדי למנוע הפרעות כאלו קו מתח המוצא בדרך-כלל מאורק בדומה לקו של חיישן הנקישות.

חיישני מיתוג:

פוטו טרנסיסטור/LED

חיישן פוטו-טרנסיסטור הוא חיישן המופעל או מודלק על-ידי אור. בשילוב עם נורית LED וגלגל סובב עם חרכים בחיישן מהירות רכב, חיישן זה מספק אות מהירות למחשב.

בסוג זה של חיישן נורית ה- LED מכוונת אל הפוטו-טרנסיסטור. כאשר הגלגל עם החרכים מסתובב על-ידי גלגל השיניים, הוא שובר את קרן האור. קרן האור נשברת 20 פעם בכל סיבוב. המחשב מספק מתח ייחוס לקולקטור של הטרנסיסטור והאמיטר מוארק. בכל פעם שהאור של נורית ה-LED פוגע בפוטו טרנסיסטור הוא נדלק כמו מתג פשוט. בכל פעם שהפוטו-טרנסיסטור נדלק, החוט מהמחשב מוארק והמתח יורד ל- 0 וולט. המחשב סופר את הפולסים האלו כדי לחשב את המהירות.

חיישנים אלו נמצאים גם בשימוש בתור חיישני תאוצה G כדי לנטר תאוטה ברכבים מסויימים. במקרה זה מכוונים שתי נורות LED אל שני פוטו-טרנסיסטורים, המופרדים על ידי פלטה עם חרכים במחיצה. בתאוטה, הפלטה נוטה על המחיצה והחיישן מזהה נורית LED אחת או שתיים בהתאם לרמת התאוטה. אותות אלו נשלחים למחשב כדי לנתח את קצב התאוטה ולוודא שמערכת ה-ABS עובדת כראוי.

מתגי REED

מתגי REED נמצאים בשימוש נפוץ כחיישני מהירות או מיקום. המתג מכיל שני מגעות אשר נפתחים בתגובה למגנט. בשימוש כחיישן מהירות, המגנט מחובר לכבל מד-אוץ, אשר מסובב אותו. בכל פעם שאחד בקטבי המגנט עובר את המתג, המגעות נפתחות ואז נסגרות שוב. מתח מסופק למגע אחד והמגע השני מחובר להארקה. בכל פעם שהמגעות נסגרות המתח יורד ל- 0 וולט, בדיוק כמו בחיישן פוטו-טרנסיסטור.

מפעילים

מנוע צעדים

למעשה, מנועי צעדים הם מפעיל דיגיטאלי; או במילים אחרות, הם עובדים או לא. הם נעים במירווחים קבועים בשני כיוונים, ובעלי יותר מ-120 צעדים.

השימוש במנועי צעדים נפוץ במיוחד כדי לאפשר למחשב המנוע לשלוט על מהירות סל"ד הסרק של המנוע. ברוב מערכות ההזרקה, מנוע הצעדים שולט על מעבר האוויר בצינור עוקף המצערת. בשסתום ויסות סל"ד סרק (הממוקם בסעפת היניקה) משולב מנוע צעדים אשר מסובב שסתום צירי פנימה והחוצה. הדבר מקטין או מגדיל את המרחק בין השסתום לבית ובכך משנה את כמות האוויר שיכולה לעבור.

סולונואידים

כמו מנועי צעדים, סולונואידים הם מפעילים דיגיטאליים. טרמינל אחד מחובר למתח המצבר והטרמינל השני מקבל מעגל הארקה מהמחשב לפי הצורך. כאשר הוא המעגל סגור, הסולונואיד יכול להפעיל מגוון של יישומים כמו זרוע טובלן, מזרקי דלק, מעברי אוויר וכו... רוב המפעילים הם סולונואידים, לרבות ממסרים.

סולונואידים נשלטים בשתי צורות: רוחב פולס או מחזור עבודה. משתמשים בשליטה ברוחב פולס כאשר התדירות היא לא קבועה. דוגמא טובה לכך היא מזרק דלק אשר נפתח לפרק זמן מסוים ואז נסגר. שימוש בשליטה במחזור העבודה מתבצע כאשר התדירות היא כן קבועה. דוגמא טובה לכך היא שסתום ויסות במערכת ABS, שם הוא מתוכנן להיות פתוח וסגור לפרקי זמן יחסיים קבועים, 20% פתוח ו-80% סגור.

שסתומי שליטה בסל"ד סרק יכולים להכיל סולונואיד במקום מנוע צעדים. במקרה כזה, השימוש הוא זהה. המחשב שולח אות על-מנת לשלוט ביניקת האוויר.

משתמשים בשסתומים מופעלי סולונואידים גם בממסרות אוטומטיות. העברת ההילוכים נשלטת על-ידי הסולונואיד אשר פותח וסוגר מעבר של שמן הידראולי לשסתומי העברת ההילוך.