Przesunięcie fazowe to pojęcie dobrze znane
elektrykom. Oznacza ono mniej więcej tyle: jeden przebieg osiąga maksimum
swoich wartości w innym czasie niż drugi przebieg.
Przesunięcie fazowe
Pod pojęciem przebieg rozumiemy np. napięcie zmieniające się
sinusoidalnie. O takim napięciu ciągle mówiono w szkole. Dlatego, że jest
łatwe do zobrazowania, ale nie tylko. Wiele przebiegów w świecie przyrody
i techniki ma charakter sinusoidalny. Słońce wstaje rano i można przyjąć,
że jest to punkt zerowy. W południe osiąga wysokość maksymalną, a pod
koniec dnia - znowu wartość zerową. U nas panuje noc, a na drugiej półkuli
zaczyna się dzień. Można przyjąć, że w nocy dla nas Słońce zaczyna
przyjmować wartości ujemne, a potem znowu rano, po przekroczeniu poziomu
zerowego, przyjmuje wartości dodatnie. Zamiast określać dokładnie godziny
wschodu i zachodu, można przyjąć, że Słońce porusza się po pewnym okręgu.
Okrąg obejmuje 360o, jego połowa - 180o. Taki przebieg nazywa się
przebiegiem sinusoidalnym. Do rytmu Słońca możemy dopasować inny przebieg,
np. naszej aktywności. Jeżeli wstaniemy godzinę później niż Słońce, a
maksimum naszej pracy przypadnie na godzinę później niż południe i
pójdziemy spać godzinę po zachodzie, to możemy powiedzieć, że nasz
przebieg aktywności jest przesunięty o jedną godzinę. Jest to przesunięcie
fazowe. Teraz należy wyliczyć, ile stopni ma to przesunięcie. Pełny
przebieg obejmuje 360o = 24 h (godziny), czyli jedna godzina odpowiada
360/24 = 15o. Zamiast mówić, że nasz rytm pracy jest przesunięty o jedną
godzinę, możemy powiedzieć, że jest przesunięty o 15 stopni.
Inny przykład to napięcie w gniazdku elektrycznym.
Normalnie mamy napięcie zmienne sinusoidalnie 220 V. W gniazdku
trójfazowym mamy trzy napięcia sinusoidalne, przesunięte o 120o. Wynika z
tego, że jeżeli jedno napięcie osiągnie maksimum, czyli 220 V, to drugie -
za 120o, a trzecie - za 240o. Obliczamy to wszystko w czasie. Napięcie ma
częstotliwość 50 Hz, co oznacza, że pełny przebieg (czyli 360o) wykonuje
50 razy na sekundę. Przechodząc na jednostki czasu mamy 1/50 = 20 x 103,
czyli jeden przebieg zajmuje 0,020 sekundy (20 x 103 s = 20 ms). Po
podzieleniu 20 ms przez 360o otrzymujemy, że 1o odpowiada 55,56o x 10-6 s
(120o = 6,67 ms).
Jeżeli chcemy operować jednostkami czasu, to możemy
powiedzieć, że jeżeli pierwszy przebieg osiągnie 220 V, to następny za
6,67 ms i trzeci za następne 6,67ms, czyli za 13,33 ms. Operowanie takimi
jednostkami jest niewygodne. Dlatego posługujemy się stopniami. Innymi
słowy, nie zajmujemy się całymi przebiegami w sensie czasu, ale wycinkiem
czasu, w którym przebieg wykonał pełny, powtarzalny cykl. W następnym
cyklu sytuacja dokładnie powtórzy się. Ten cykl nazywa się okresem i jest
porównywany do koła, które zrobiło jeden obrót, to znaczy przetoczyło się
o 360o. Takie rozumowanie upraszcza obliczenia i wykresy.
Czujnik mierzący przesunięcie fazowe
W poprzednich artykułach cyklu zostało omówione zjawisko indukcji.
Jeżeli w polu magnetycznym nastąpiła zmiana, to powstało napięcie
indukcyjne. Wyobraźmy sobie, że mamy dwie cewki obok siebie. Jeżeli przez
jedną przepuścimy prąd zmienny, który to wytwarza zmienne pole
magnetyczne, to w drugiej cewce powstanie napięcie indukcyjne. To napięcie
indukcyjne będzie też zmienne, tyle, że o mniejszej amplitudzie. Występuje
jeszcze jedno interesujące zjawisko. Napięcie indukowane tworzy się z
pewnym opóźnieniem. Jeżeli napięcie pierwotne (ze sterownika) osiąga
maksimum, to napięcie wtórne (zaindukowane) osiąga minimum. Operując
pojęciem kąta, to napięcia są przesunięte o 180o (rys.).
W tym artykule omawiamy czujnik położenia rozrządu z samochodu marki Opel.
Czujnik ten, zwany oscylacyjnym, jest zbudowany z dwóch koncentrycznie
nawiniętych wokół rdzenia cewek. Uzwojenie pierwotne tworzy cewka
zewnętrzna o małym oporze i małej indukcyjności. Cewka wewnętrzna jest
uzwojeniem wtórnym, o 30 razy większym oporze i 100 razy większej
indukcyjności. Uzwojenie wzbudzenia, czyli cewka zewnętrzna, jest zasilana
napięciem sinusoidalnym o częstotliwości rzędu 100 Hz. W uzwojeniu wtórnym
indukuje się napięcie sinusoidalne, ale przesunięte o 180o. Istota
działania czujnika oscylacyjnego zaczyna się w momencie pojawienia się - w
pobliżu czujnika - materiału ferromagnetycznego. Czujnik znajduje się
między dwoma kołami zaopatrzonymi w odpowiednio ukształtowane elementy
magnetyczne. Pojawienie się tych elementów w polu magnetycznym, wywołanym
przez uzwojenie pierwotne, powoduje określone przesunięcie fazowe w
uzwojeniu wtórnym.
W uzwojeniu pierwotnym przebieg napięcia sinusoidalnego jest wymuszony
przez układ elektroniczny, dlatego pojawienie się dodatkowego rdzenia
ferromagnetycznego nie wywołuje znaczących zmian w przebiegu napięcia.
W uzwojeniu wtórnym napięcie jest indukowane, dlatego każda zmiana w
obszarze pola magnetycznego, w jakim znajduje się uzwojenie pomiarowe, ma
duży wpływ na przebieg indukowanego napięcia. Rejestrowana zmiana to
przesunięcie fazowe napięcia pomiarowego w stosunku do napięcia zadanego.
Sterownik analizuje to przesunięcie i na podstawie tego określa położenie
i prędkość obrotową silnika.
Diagnostyka czujników oscylacyjnych (fazowych)
Określenie prawidłowości działania czujników indukcyjnych i
hallotronowych polega na pomiarze napięcia wyjściowego. W najprostszy
sposób (mało dokładnie) można sprawdzić działanie tych czujników za pomocą
próbnika diodowego. Sprawdzenie działania czujnika oscylacyjnego wymaga
określenia przesunięcia fazowego między sinusoidą pierwotną, zadaną przez
sterownik, a sygnałem wtórnym - otrzymanym z czujnika. Dlatego w tym
przypadku niezbędnym przyrządem pomiarowym jest oscyloskop. Prawdę mówiąc,
lepiej jest mieć drugi czujnik na wymianę, ponieważ czujniki te psują się
tak złośliwie, że przez moment działają dobrze, a potem źle.
Praktyka
Wpisanie błędu przez ECU o uszkodzeniu czujnika nie oznacza
automatycznie uszkodzenia i wymiany samego czujnika, ale wskazuje na
nieprawidłowy sygnał pomiarowy. W mojej praktyce zawodowej, co najmniej
50% uszkodzeń znajdowało się w samej wtyczce. Wielokrotne zdejmowanie i
przekręcanie wtyczki powoduje naderwanie przewodów elektrycznych.
Częstym przypadkiem były zwarcia ekranu do żył pomiarowych. Dlatego przed
wymianą czujnika zaleca się zdjęcie kapturka gumowego na wtyczce i
sprawdzenie połączeń galwanicznych. Sam sygnał pomiarowy jest bardzo
precyzyjny, dlatego wszystkie połączenia elektryczne muszą być w bardzo
dobrym stanie. Warto też sprawdzić, czy drugi czujnik - położenia wału -
jest w porządku. Sterownik porównuje dwa czujniki i też może się mylić.