Capítulo 1: Circuito primitivo de uma unidade de controle

Por: Redação

Muitos sensores necessitam de alimentação de tensão. Esta pode ser externa ou proveniente da própria unidade de controle. Se a alimentação provém da unidade de controle existem as seguintes particularidades:

• O massa dos sensores provém diretamente da unidade de controle para evitar que, por diferenças de potencial entre massa do motor / massa da carroceria, falsifiquem-se os sinais dos sensores.
• A tensão de alimentação é estabilizada em 5 V para evitar que os sinais sejam falsificados e que o sensor siga trabalhando de forma confiável dentro de uma eventual subtensão da rede de bordo. A tensão interna de 5 V de uma unidade de controle geralmente está disponível nos blocos de valores de medição. Curiosidade: Um sensor Hall pode ser alimentado com 5 V e ao medir o sinal se obtém um sinal retangular 12 V, porque a resistência pull-up na unidade de controle está conectada a 12 V.
• Segundo o projeto do sistema em questão, os sensores também podem ser alimentados com 12 V ao invés de 5 V. Observando um circuito primitivo de uma unidade de controle (Fig.1) concluímos que o sinal dos sensores, na verdade, é gerado pela própria unidade de controle. O sensor apenas altera “o estado do sinal” para que a unidade de controle possa “sentir” o que está acontecendo por meio da entrada de seu conversor A/D (Analógico/Digital). Em um veículo, pouquíssimos sensores geram o sinal por conta própria, dentre eles podemos citar os sensores de rotação indutivos e os sensores de detonação piezoelétricos.

Particularidades dos sinais dos sensores:

• Existem os sinais que fluem da unidade de controle em direção ao sensor, e os sinais que fluem do sensor em direção à unidade de controle. Em ambos os casos se produz uma queda de tensão através de uma resistência pull-up ou pull-down dentro da unidade de controle. A combinação do sensor com a resistência na unidade de controle constitui um circuito divisor de tensão. A corrente de medição é tomada no circuito divisor de tensão e constitui a magnitude de medição para a unidade de controle.
• Em um cabo de sinal aberto, ou seja, desconectado do sensor, pode-se medir seja uma tensão fixa de 5 V ou 12 V, ou uma tensão de 0 V. Em alguns casos também pode-se medir um sinal retangular ou um sinal periodificado.

Fig.1: Circuito primitivo de uma unidade de controle para sinais de entrada


Interruptor de contato

O circuito primitivo da Figura 2 equivale ao de uma unidade de controle com sensor do tipo interruptor de contato (ex. contato de porta, contato de capô, interruptor de pressão de óleo, etc.).

Como o interruptor é um sensor que está conectado à massa, utiliza-se uma resistência pull-up. Esta resistência está antes do sensor (ou interruptor) e dentro na unidade de controle, formando um divisor de tensão. Neste caso o sensor conecta à massa o potencial estabilizado na unidade de controle que pode ser de 5 ou 12 V. A unidade de controle avalia o valor de tensão, neste caso 0 ou 5/12 V, para os dois estados do interruptor (ligado/desligado).

Fig.2: Sinais de entrada de interruptores:
• A/D: Conversor Analógico/Digital: O valor da tensão analógica, variável ou não, é digitalizado na unidade de controle, processado e depois volta a ser analógico em certos casos para ser utilizado como sinal destinado a excitação de atuadores
• μC: microprocessador
• RAM: random access memory = memória de acesso aleatório
• ROM: read only memory = memória somente de leitura

A unidade de controle alimenta uma tensão antes da resistência pull-up. Segundo o sistema do veículo em questão, esta tensão pode ser de:
• 5 V permanentes
• 12 V permanentes
• Impulsos de tensão ou tensões retangulares

No interruptor, ao estar aberto, pode-se medir esta tensão procedente da unidade de controle.

Com o interruptor fechado flui uma corrente, com isso, aumenta o consumo de corrente da unidade de controle.

Os sistemas elétricos dos veículos estão construídos de modo que quase todos os interruptores que trabalham deste modo (contatos de porta e de capô, comutadores das fechaduras das portas, …) encontram-se abertos com o travamento central acionado para reduzir o consumo de corrente.

Com a aplicação de uma tensão por impulsos é possível reduzir o consumo de corrente quando o interruptor está fechado e ampliar o diagnóstico de avarias, por exemplo, de um mau contato.

Potenciômetro
Os sensores do tipo potenciômetro são utilizados quando precisa-se determinar a posição exata de um componente mecânico. São encontrados, por exemplo, nos servomotores das portinholas de um sistema de ar-condicionado, no corpo de borboleta do motor e nos servomotores de regulagem do alcance dos faróis.Para que a tensão do cursor de contato não varie em função da tensão de alimentação da rede de bordo, estabiliza-se a tensão de alimentação do potenciômetro através da unidade de controle. E para que se possa utilizar os valores dos potenciômetros, inclusive quando houver subtensão na rede de bordo, a sua tensão de alimentação é sempre inferior a da rede de bordo. O mesmo acontece, de forma geral, para todas as resistências utilizadas para a detecção de sinais.

Fig.3: Sinais de entrada de potenciômetros. Um defeito de contato intermitente em um potenciômetro dificilmente é detectado com um multímetro

Um defeito de contato intermitente em um potenciômetro dificilmente é detectado com um multímetro, em virtude da lentidão de reação deste tipo de instrumento de medição. Por esse motivo deve-se efetuar o teste do sinal com ajuda do osciloscópio (Fig.3). Esse tipo de falha pode não ser inscrita na memória de avarias da unidade de controle.
Outro teste consiste em medir, com o conector do sensor desconectado, a tensão no cabo do sinal contra o positivo da bateria. Neste caso, se o valor medido for aproximadamente o da tensão da bateria, significa que o cabo, conectores e unidade de controle estão em perfeitas condições.

Termosensor
Termosensores são utilizados quando precisa-se medir a temperatura de componentes ou de fluidos. Trata-se de um resistor que tem a propriedade de alterar o valor de sua resistência em função da temperatura a que está submetido.

Dependendo do propósito, podem ser utilizados na versão NTC, em que a sua resistência diminui com o aumento da temperatura, ou PTC, na qual a sua resistência aumenta com o aumento da temperatura.

A resistência pull-up constitui em conjunto com o termosensor um divisor de tensão. A tensão do divisor é por sua vez a magnitude de medição para a unidade de controle. Com o sensor conectado e funcionando normalmente a tensão é, segundo a temperatura, sempre maior que 0 V e menor que 5 V. Todas as demais tensões que não são plausíveis provocam o registro de uma avaria na memória da unidade de controle.

No caso de interrupção ou curto ao positivo a tensão no pino de conexão da unidade de controle é sempre de 5 V ou superior a 5 V; disso resulta o registro da avaria “Interrupção / curto ao positivo …”. Em todos os casos se registra uma descrição correspondente da avaria.

Se ocorre um curto à massa a tensão no pino de conexão da unidade de controle é sempre de 0 V; disso resulta o registro da avaria “Curto à massa …”.

Nos casos dos curto-circuitos com positivo e com massa, incluindo os esporádicos, pode-se localizar as avarias no modo de medição contínua do DSO enquanto se move ou golpeia os cabos e/ou os componentes.

Por regra geral um sensor de temperatura funciona com 5 V constantes.

Existem casos em que os mesmos podem trabalhar com tensão por impulsos. A tensão por impulsos traz 2 vantagens:
• Economia de energia (corrente de medição)
• A corrente que flui pelo NTC é transformada em calor pela sua resistência, o que significa que a corrente aquece a resistência e com isso altera sensivelmente o resultado da medição.

Fig.4: Sinais de entrada de termosensores


Comutador

Comutadores são associações de interruptores que têm a função de informar diversos estados operativos. Um exemplo tradicional de um comutador é o botão de acionamento dos vidros elétricos.

No exemplo da Figura 5, a unidade de controle da porta aplica uma tensão retangular no cabo do comutador. Por meio da conexão de diversas resistências a esta ou até pela conexão direta à massa pode-se gerar 5 diferentes níveis de tensão no cabo de sinal.

Os diferentes níveis de tensão, dentro de suas tolerâncias, estão associados na unidade de controle a determinadas funções, por ex:
• Comutador não acionado
• Subida manual do vidro
• Subida automática do vidro
• Descida manual do vidro
• Descida automática do vidro

Existem blocos de valores de medição associados a cada comutador, com as indicações relativas ao estado comutação. Por isso, em caso de funções anormais esporádicas ou ao obter valores de medição não plausíveis, torna-se necessário verificar os comutadores ou os cabos com o auxílio do osciloscópio.

Fig.5: Sinais de entrada de comutadores

Na figura 5a podemos visualizar o sinal de entrada de um comutador para acionamento dos vidros da porta acionado em suas diferentes posições. O sinal gerado na unidade de controle pode ser uma tensão constante de 5V ou 12V, ou um sinal PWM estabilizado com uma largura de impulsos de aproximadamente 15 % e uma frequência de aproximadamente 100 Hz. Conforme a resistência comutada pelo botão do acionamento dos vidros, uma tensão específica será reconhecida pela unidade de controle (considerando uma margem de tolerância) e, com isso, o motor elétrico do vidro será devidamente acionado. A tensão máxima possível é reconhecida como “botão não acionado”, e a mínima como “descida automática”. Desta forma, com apenas um cabo conectando o botão de acionamento do vidro com à unidade de controle podemos estabelecer 5 estados operativos do mesmo.

Fig.5a: Sinal de entrada de um comutador para acionamento do vidro da porta


Sensor de rotação indutivo

Os sensores indutivos são utilizados em alguns veículos como sensores de rotação do motor ou também como sensores de rotação das rodas para o sistema ABS. Um sensor indutivo consta de um ímã permanente e uma bobina de indução. Os segmentos dentados que passam diante do sensor fazem variar a intensidade do campo magnético na bobina, a qual produz uma tensão induzida alternada. Esse sinal de tensão alternada possui uma frequência dependente da rotação da roda geradora. A amplitude da tensão alternada depende da distância do sensor até os segmentos dentados e também da sua rotação. Devido à sensibilidade característica deste sinal, os cabos do sensor são blindados contra interferências eletromagnéticas por meio de uma malha (Fig.6).

Fig.6: Sinais de entrada de sensores de rotação indutivos. Um exemplo dos poucos tipos de sensores que geram sinal por conta própria

Neste caso, com o multímetro somente se pode comprovar:
• Medição da resistência da bobina
• Medição da tensão alternada

Sempre deve-se dar preferência ao osciloscópio para a comprovação, pois assim pode-se analisar a imagem do sinal. Para certas falhas também é recomendado que se registre o sinal correspondente a uma volta completa da roda geradora de impulsos e analisá-la.


Sensor Hall

Na maioria das aplicações, o sensor Hall não fornece um sinal de tensão e sim conecta à massa a tensão pré-definida pela unidade de controle através da resistência pull-up, como uma espécie de interruptor eletrônico.

Com frequência se supõe, equivocadamente, que a tensão positiva de um sensor Hall tem suas origens no próprio sensor. Para facilitar a compreensão do tema se apresenta um esquema equivalente do contato no sensor Hall (Fig.7).

Fig.7: Sinais de entrada de sensores Hall

A alimentação de tensão e a tensão do sinal podem ser totalmente diferentes, segundo o sistema tratado, por exemplo, um sensor pode ser alimentado com 5 V e a tensão do sensor pode ser de 12 V.

Comutador Hall:
Um comutador Hall trabalha, basicamente, igual a um sensor Hall. Como exemplo podemos citar o sensor de posição da embreagem e o comutador da luz de freio do Jetta.
O ideal para se medir o sinal dos sensores Hall é utilizar o osciloscópio, pelo mesmo motivo dado anteriormente aos sensores de rotação indutivos.

Sensor de rotação de roda ativo
O sensor de rotação de roda ativo é um exemplo de um sensor que também trabalha segundo o princípio Hall. O sensor é bipolar e recebe tensão da unidade de controle. Isso permite que o sensor seja diagnosticável com a roda parada (Fig.8).

Fig.8: Sinais de entrada de sensores de rotação de roda ativos

Com a troca da polaridade magnética da roda geradora de impulsos, varia a resistência interna do sensor e se produzem duas diferentes intensidades de corrente. Com as diferentes intensidades varia o valor da queda de tensão na resistência pull-up, o que é “sentido” pela unidade de controle.

Novamente, se com o conector do sensor desconectado encontrarmos uma tensão de 12 V, significa que cabos, conexões e unidade de controle estão em ordem.