Od zarania motoryzacji samochody były wyposażane w instalacje elektryczne. Początkowo bardzo proste, ograniczające się do oświetlenia i układu zapłonowego silników spalinowych, z czasem zaczęły się rozwijać i komplikować. Pojawiły się kolejne źródła energii elektrycznej (prądnice, potem alternatory) oraz odbiorniki (rozruszniki, odbiorniki radiowe, wentylacja, klimatyzacja, w końcu urządzenia cyfrowe).

Dzisiaj w samochodach mamy dziesiątki czujników (temperatury, prędkości obrotowej, ciśnienia, położenia elementów wykonawczych, sondy lambda), elementów wykonawczych (styczniki, silniki, silniki krokowe, serwomechanizmy, siłowniki).Wszystko to połączone jest przewodami zasilającymi oraz sygnałowymi. Wraz ze wzrostem stopnia złożoności układu elektrycznego rośnie prawdopodobieństwo awarii występujących samoistnie albo towarzyszących innym uszkodzeniom (mechaniczne uszkodzenie izolacji lub ciągłości przewodów przez podzespoły mechaniczne).

Lokalizacja miejsca uszkodzenia jest czasochłonna, wymaga doświadczenia i zestawu przyrządów pomiarowych. Jednocześnie zaczyna zacierać się granica pomiędzy specjalnościami: mechanik, elektryk, elektronik, informatyk. Mówimy ogólnie o mechatronice, nie zawsze zdając sobie sprawę, jak bardzo rozbudowana jest ta dziedzina i jak dużych nakładów wymaga przygotowanie warsztatu do świadczenia nowoczesnych usług na wysokim poziomie.

Zasilanie

Historycznie rzecz biorąc, zasilanie odbiorników było pierwszym przeznaczeniem instalacji elektrycznych w samochodach. Obwody zasilające dostarczają prąd o stosunkowo dużym natężeniu. W zależności od rodzaju odbiornika zawiera się ono w granicach od około jednego ampera (niewielkie żarówki, odbiorniki radiowe bez wzmacniaczy o dużej mocy akustycznej) do kilkuset amperów (rozruszniki). Instalacja elektryczna jest projektowana w taki sposób, żeby podzielić odbiorniki na grupy chronione osobnymi bezpiecznikami. Dzięki temu awaria jednego urządzenia albo gałęzi obwodu nie spowoduje unieruchomienia całego pojazdu. Mniejsze są też konsekwencje zwarcia do masy w wyniku uszkodzenia izolacji przewodu, łatwiejsza diagnostyka (zadziałanie konkretnego bezpiecznika jest pierwszą wskazówką, w którym miejscu należy poszukiwać przyczyn awarii).
Dla obwodów zasilających wykonuje się najczęściej cztery rodzaje pomiarów: napięcia i prądu stałego (bez obciążenia lub pod obciążeniem), ciągłości obwodu (rezystancji przewodów i złącz) oraz rezystancji izolacji (w celu wykrycia zwarć lub upływu prądu).
Każdy z pomiarów ma swoją specyfikę i można go sobie ułatwić albo utrudnić, dobierając odpowiedni przyrząd.
Miernik natężenia prądu podłączamy szeregowo z obciążeniem badanego obwodu, musimy więc ten obwód przerwać. Pozornie dobrym miejscem są gniazda bezpieczników – po wyjęciu bezpiecznika można podłączyć końcówki pomiarowe do jego zacisków. Problem polega na tym, że w obwodzie pozbawionym bezpiecznika to przyrząd pomiarowy jest najsłabszym ogniwem i to on najszybciej ulegnie uszkodzeniu lub zniszczeniu, jeśli popłynie prąd zwarcia. Jeśli koniecznie trzeba podłączyć miernik w miejsce bezpiecznika, upewnijmy się, że ma on skuteczne i sprawne zabezpieczenie.
Rozwiązaniem lepszym, a w przypadku pomiaru prądu rozrusznika jedynym, jest użycie miernika cęgowego albo pętli pomiarowej. Wtedy wystarczy umieścić przewód zasilający badanego obwodu wewnątrz cęgów lub pętli i odczytać wynik. Częstym błędem jest obejmowanie cęgami lub pętlą obu żył przewodu zasilającego. Trzeba pamiętać, że w każdej z nich prąd płynie w przeciwnym kierunku, pola elektromagnetyczne powstające wokół pary przewodów znoszą się i odczyt waha się w okolicach zera mimo że w rzeczywistości płynie prąd, często o znacznym natężeniu. W technice samochodowej taka pomyłka zdarza się rzadziej, ponieważ masa obwodu najczęściej jest powiązana z metalowymi elementami konstrukcyjnymi pojazdu.

Wysokie napięcie

Większość obwodów elektrycznych w samochodach osobowych przewodzi prąd o napięciu nie wyższym niż 12 V, czyli całkowicie bezpiecznym dla człowieka. Trzy istotne odstępstwa to: układ zapłonowy (25–40 kV), reflektory ksenonowe (25 kV) i baterie trakcyjne samochodów elektrycznych (ok. 360 V). Planując pomiary i wybierając punkty pomiarowe, trzeba o tym pamiętać, ponieważ przypadkowe podanie wysokiego napięcia może uszkodzić przyrząd pomiarowy i doprowadzić do porażenia pracownika.
Jeśli zachodzi potrzeba zmierzenia wysokiego napięcia (powyżej 800–1000 V), trzeba posługiwać się sondami z dzielnikiem napięcia (1:10, 1:100) albo specjalistycznymi przyrządami pomiarowymi. Trzeba też wziąć pod uwagę, że większość narzędzi dla elektryków ma izolację atestowaną dla napięć nie wyższych niż 1 kV.

Sygnały analogowe

Obwody sygnałowe służą do przekazywania informacji. Płynie w nich prąd o stosunkowo niewielkim natężeniu i napięciu równym lub mniejszym od napięcia instalacji zasilającej. Informacja o stanie czujnika jest przekazywana w postaci zmian natężenia prądu albo napięcia. Zmiany te są ciągłe, mogą przyjmować dowolne wartości, leżące w określonym przez projektanta zakresie, np. od 2 do 6 V albo od 0 do 40 mA. Analogowe elementy pomiarowe to zazwyczaj: termopary do pomiaru temperatury, czujniki ciśnienia, sondy lambda.

Badanie takiego obwodu pomiarowego sprowadza się do kontroli ciągłości obwodu bez zasilania, kontroli elementu pomiarowego (ciągłości obwodu, rezystancji, pojemności, indukcyjności), kontroli wskaźnika (przez podanie sygnału symulowanego). Jeśli mamy do czynienia z obwodem, w którym sygnał zmienia się w czasie, wygodniej jest posłużyć się miernikiem rejestrującym (w przypadku sygnałów wolnozmiennych, narastających lub malejących w czasie liczonym w sekundach lub dłuższym) albo oscyloskopu (przy sygnałach o większej częstotliwości).
Kombinacją miernika uniwersalnego, oscyloskopu i testera jest diagnoskop. Urządzenia te, wykonywane w wersjach stacjonarnych i przenośnych, umożliwiają szybkie, zautomatyzowane sprawdzanie takich elementów pojazdu, jak: czujniki ABS, tętnienia napięcia alternatora, napięcie akumulatora, czujnik wałka rozrządu, czujnik wału korbowego, czujnik spalania stukowego, przepływomierz, czujnik podciśnienia, czujnik ciśnienia, czujnik położenia przepustnicy, czujnik temperatury płynu chłodzącego, czujnik temperatury oleju, czujnik temperatury powietrza, czujnik prędkości pojazdu, czujnik w rozdzielaczu zapłonu, system odpowietrzania zbiornika, system recyrkulacji spalin, regulacja wolnych obrotów, układ zapłonowy, wtryskiwacze, magistrala CAN/BUS.
Jeśli warsztat ma być prowadzony w kierunku elektroniki albo zaawansowanej mechatroniki, warto pomyśleć o wielokanałowym oscyloskopie sygnałów mieszanych (analogowych i cyfrowych) o pasmie przenoszenia co najmniej 50 MHz. Oscyloskop może być dodatkowo wyposażony w oprogramowanie do analizy protokołów komunikacyjnych, na przykład RS 232, CAN itp.
Praca z oscyloskopem wymaga doświadczenia i dobrej znajomości często skomplikowanego przyrządu, ale w zamian daje bardzo duże możliwości, na m.in.: wykrywanie sygnałów pasożytniczych, szumów, tętnień, przesłuchów między magistralami danych itp.

Końcówki pomiarowe

O dokładności, łatwości i bezpieczeństwie pomiaru w znacznym stopniu decyduje sposób połączenia przyrządu pomiarowego z badanym obwodem albo podzespołem. Częstą przyczyną problemów jest niepewny kontakt elektryczny pomiędzy sprawdzanym obwodem a końcówką pomiarową albo przypadkowe dotknięcie sąsiedniego styku. Zazwyczaj wynika to z trudności w manipulowaniu końcówkami w ograniczonej przestrzeni albo z konieczności przenoszenia wzroku między miejscem pomiaru a wyświetlaczem / skalą miernika.

Można uniknąć problemów, używając dobrej jakości końcówek pomiarowych z zaciskami. W najprostszym przypadku mogą to być „krokodylki” (koniecznie izolowane), ale często okazują się one zbyt duże. Lepszym rozwiązaniem są sondy pomiarowe zaopatrzone w samozaciskające się haczyki o szerokości 2–3 mm. Elektronicy często używają ich do pomiarów warsztatowych.

Dobierając sondy i przewody pomiarowe, trzeba pamiętać o dopuszczalnym natężeniu prądu, który może przez nie przepłynąć. Nie ma to większego znaczenia przy pomiarze napięcia i oglądaniu sygnału na ekranie oscyloskopu, ale mierząc prąd pobierany przez większy odbiornik (przetwornica, silnik elektryczny), trzeba się liczyć z tym, że zbyt mały przekrój przewodu lub sondy może doprowadzić do ich stopienia.
Kontrola rezystancji połączenia albo uzwojenia silnika miliomomierzem nie ma sensu, jeśli opór złącza pomiędzy sondą a punktem pomiarowym jest wielokrotnie większy od oczekiwanej wartości rezystancji. W przypadku tego rodzaju pomiarów trzeba zadbać o wyjątkowo staranne oczyszczenie obu powierzchni z brudu, tlenków itp.

Zmorą pomiarów są uszkodzone kable. Przypadkowy brak kontaktu w obwodzie pomiarowym jest częstą przyczyną błędnej diagnozy. Może on być niebezpieczny, jeśli wynik pomiaru sugeruje, że badany obwód nie jest zasilony, a w rzeczywistości przepływa przez niego prąd pobierany ze źródła o dużej wydajności (np. bezpośrednio z akumulatora). Sugerując się błędnym pomiarem, można niechcący zewrzeć akumulator na krótko, ze wszystkimi normalnymi konsekwencjami tego faktu.

Uszkodzone przewody i końcówki pomiarowe powinny być bez zbędnej zwłoki naprawiane albo usuwane z warsztatu.

Dobry przyrząd

Podsumujmy: w warsztacie przyda się jeden (lepiej dwa) przyrządy uniwersalne (multimetry), z których jeden może ograniczać się do pomiaru podstawowych parametrów: natężenia prądu, napięcia, rezystancji, testu ciągłości obwodu, testu złącza diody. W takim charakterze doskonale sprawdzi się miernik cęgowy o dokładności pomiaru około 2%, z możliwością podłączania przewodów pomiarowych. Drugi przyrząd powinien mieć możliwość rejestracji wyników pomiarów, pomiaru małych rezystancji (rzędu setnych i tysięcznych części oma), pomiaru pojemności, indukcyjności. Wskazane jest, żeby oba przyrządy miały możliwie jak najkrótszy czas ustalania odczytu oraz możliwość zablokowania wartości minimalnej, maksymalnej i średniej pomiaru.
Zakup takiego zestawu oznacza wydatek rzędu 5 tys. zł, z oscyloskopem i diagnoskopem może przekroczyć 10–12 tys. zł. To dużo, ale jeśli dodatkowo poświęcimy czas na doskonalenie umiejętności pomiarowych i diagnostycznych, inwestycja może się zwrócić przez skrócenie czasu naprawy, podniesienie jakości usługi, wykrywanie usterek pozostających zagadką dla innych warsztatów.

Nie tylko prąd elektryczny

Systemy cyfrowe instalowane w samochodach wymieniają między sobą coraz większe ilości danych, dlatego potrzebują sieci o wysokiej przepustowości. Producenci coraz częściej sięgają po rozwiązania znane ze stacjonarnych lokalnych sieci komputerowych i zastępują przewody miedziane światłowodami. Dzięki temu można zwiększyć prędkość transmisji danych do 10 gigabitów na sekundę i jednocześnie poprawić odporność na zakłócenia.

Z punktu widzenia serwisu wprowadzenie nowego medium komplikuje diagnostykę i naprawy, ponieważ do kontroli linii światłowodowych nie można używać tradycyjnych elektrycznych i elektronicznych urządzeń pomiarowych. Uszkodzenie światłowodu powodujące całkowitą przerwę w transmisji danych albo znaczneich obniżenie, może polegać na zanieczyszczeniu powierzchni światłowodu, w miejscu połączenia, pęknięciu włókna itp. Takie defekty można zlokalizować tylko specjalistycznymi urządzeniami do testowania światłowodów, których cena zdecydowanie nie zachęca do kupowania ich „na wszelki wypadek”.

Samochodowe systemy informatyczne wykorzystują moduły łączności bezprzewodowej: Wi-Fi, Bluetooth, GSM/UMTS. Wykrywanie problemów z bezprzewodową transmisją danych, zwłaszcza z interfejsem radiowym, także wymaga zastosowania specjalnych narzędzi, chociaż w tym przypadku może wystarczyć laptop wyposażony w oprogramowanie diagnostyczne analizujące ruch w sieci bezprzewodowej.

Te zagadnienia wykraczają poza temat pomiarów elektrycznych i elektronicznych, ale trzeba mieć świadomość, że awaria urządzeń elektronicznych może wymagać wykonania pomiarów parametrów nieelektrycznych.

Piotr Kołaczek