Sistemul De Protecţie Pasivă Cu Air Bag Şi Centură De Siguranţă Cu Pretensionare [619216]

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

1538
SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI
CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE
8.1 INTRODUCERE
În situa ția în care vehiculul se love ște de un obstacol solid, în virtutea iner ției
ocupanții sunt arunca ți spre înainte. Rezultatele cele mai frecvente sunt r ăni severe
ale capului, gâtului și pieptului.
Într-un sistem de protec ție pasivă pasagerii nu intervin cu nimic pe durata
acțiunii acestuia.
În eventualitatea unei coliziuni violente a ve hiculului, pentru a proteja
pasagerii de pe locurile din fa ță, în fața conducătorului auto și a pasagerului din
dreapta se umfl ă niște saci de aer ( air-bag ). Air-bagurile asigur ă o pernă moale
pentru corpul uman, asigurând o preluare moderat ă a impulsului din momentul
impactului. În unele echipamente de protec ție pasivă, pentru pasagerul din dreapta
se poate folosi un sistem cu dispozitiv de întindere (p retensionare) a centurii de
siguranță.
Centurile de siguran ță reprezint ă primul mod de protec ție și trebuie folosit
chiar dacă vehiculul este echipat cu air-baguri. În situa ția unei coliziuni frontale, se
estimează faptul că air-bagurile frontale diminueaz ă numărul morților cu circa 25%
pentru acei conduc ători auto care poart ă centura de siguran ță și cu circa 30%
pentru cei care nu o poart ă. Trebuie îns ă evidențiat faptul c ă în primul caz baza de
referință este mult mai redus ă datorită efectului centu rii de siguran ță, care și
singură asigură salvarea multor vie ți. Cazurile mortale printre pasagerii din fa ță cu
centura pus ă se reduc cu circa 15%, iar pentru cei f ără centură cu peste 20%. Prin
folosirea combinat ă a centurii cu air-bag, r ănirile grave ce intervin în cazul unor
coliziuni frontale pot fi reduse cu 65% la nivelul pieptului și până la 75% pentru
cap. Centura de siguran ță, un dispozitiv de pretensi onare pentru centura de
siguranță și un air-bag, folosite împreun ă, formeaz ă la ora actual ă cel mai eficient
sitem de re ținere în eventualitate a unui accident serios. La viteze ce dep ășesc 40
km/h centura de siguran ță singură nu mai asigur ă o protecție suficient ă. Cercetările

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

154privind consecin țele accidentelor au stabilit c ă în 68% din cazuri, un air-bag
asigură o ameliorare semnificativ ă a siguran ței. Se sugereaz ă chiar că în situația în
care toate automobilele din lume ar fi echipate cu air-bag-uri, num ărul anual al
deceselor s-ar putea reduce cu peste 50.000. Metoda ce a devenit cea mai r ăspândită pentru sistemele air-bag este de a reuni
majoritatea componentelor necesare într-o singur ă unitate. Aceasta reduce volumul
de cabluri și conectoare, ceea ce îmbun ătățește fiabilitatea. Este de asemenea
important s ă fie prevăzută prin fabrica ție o anumit ă formă de monitorizare, întrucât
un air-bag nu poate fi testat – el având un singur ciclu de func ționare.
În figura 8.1 se prezint ă o configura ție de sistem de protec ție pasivă cu air-bag
pentru conduc ătorul auto și dispozitiv de pretension are a centurii de siguran ță
pentru pasagerul din dreapta, precizându-se principalele p ărți componente.
8.2 PĂRȚILE COMPONENTE ȘI CIRCUITUL ELECTRONIC
Principalele p ărți componente ale unui sistem complet de protec ție pasivă cu
air-bag și centură de siguran ță cu pretensionare sunt:
 air-baguri pentru conduc ător și pasager
 lampă de avarii
 comutator pentru sc aunul pasagerului

Figura 8.1
1 – lampă de avarii(test); 2 – air-bag conduc ător auto; 3 – dispozitiv de declan șare;
4 – convertor de tensiune; 5 – alimentare de rezerv ă (de siguran ță); 6 – dispozitiv de
pretensionare a centurii de siguran ță 1
2
4
35
6

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

155 dispozitiv pirotehnic de umflare
 electrod de aprindere
 sensor(i) de distrugere
 unitate electronic ă de control.
 dispozitive de pretensionare pe ntru centurile de siguran ță.
Evident, pe diferite mode le de automobile se pot g ăsi combina ții specifice de
utilizare a air-bagurilor și a dispozitivelor pirotehnice de pretensionare a centurilor
de siguran ță.
8.2.1 Air-bagul
Air-bagul este realizat dintr-o țesătură din nylon, cu o acoperire pe fa ța internă.
Înainte de umflare air-bagul este pliat sub o suprafa ță de capitonare, care are
prevăzute prin proiectare linii de rupere. Pe p ărțile laterale ale air-bagului sunt
prevăzute fante ce permit dezumflarea rapid ă după desfășurare. Air-bagul pentru
conducătorul auto are un vo lum de circa 60 litri, iar ai r-bagul pentru pasager circa
160 litri. Limitele în tre care se realizeaz ă în mod curent air-bagurile sunt de la 30 la
200 litri, func ție de aplica ție.
8.2.2 Lampa de avarii
În circuitul de monitorizare se folose ște o lamp ă de avarii. Aceasta indic ă un
potențial defect și este o parte important ă a circuitului. Unii produc ători folosesc
chiar dou ă becuri pentru o siguran ță în funcționare suplimentar ă. Când se pune
contactul, lampa se aprinde și ilumineaz ă pentru circa 10 secunde. În acest timp se
execută un ciclu de testare. Dac ă sistemul este OK, lampa se stinge.
8.2.3 Comutatorul pentru scaunul din dreapta
Se poate folosi și un comutator pentru scaunul de pe partea pasagerului pentru
a preveni umflarea air-bagului atunci când locul nu este ocupat. Sistemele de ac ționare a sacului de aer sunt disp onibile în dimensiuni diferite,
conform cu tipul vehiculului și aplicația (conduc ător sau pasagerul din dreapta).
Gazele și amestecurile de gaze folosite pentru aceste dispozitive sunt netoxice. În
cele ce urmeaz ă se descriu principiile de func ționare pentru dife ritele tipuri de
dispozitive de ac ționare.
8.2.4 Dispozitivul pirotehnic de umflare și electrodul de aprindere

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

156 Dispozitivul pirote hnic de umflare și electrodul de aprindere pot fi considera ți
împreună.
Dispozitivul pirotehnic de umflare a sacului de aer. Figura 8.2 este un exemplu
de dispozitiv de umflare de tipul pentru conduc ătorul auto. Când un curent
suficient este transmis în dispozitivul de ini țiere (caps ă), un filament metalic
subțire acoperit cu o înc ărcătură pirotehnic ă sensibilă se supraînc ălzește și aprinde
această încărcătură (a). Aprinderea capsei furnizeaz ă suficient ă energie pentru a
aprinde o înc ărcătură de amplificare, a c ărei combustie dezvolt ă o presiune și
temperatur ă adecvate pentru a declan șa reacția chimic ă, convertind carburantul
solid (generatorul de gaz) în gaz ( b). De obicei prin reac ția chimică se obține azot.
Gazul rezultant netoxic fierbinte curge de -a lungul unei ser ii de ecrane, filtre și
șicane (tobe de e șapament), r ăcindu-se înainte de a p ărăsi dispozitivul de umflare
prin porțile de ieșire localizate în interiorul sacului de aer ( c). Durata acestui
proces este mai mic ă de o zecime de secund ă. După desfășurare, în air-bag și în
interiorul vehicu lului se va g ăsi o mică cantitate de hidroxid de sodiu. Ca urmare,
personalul trebuie s ă foloseasc ă echipament de protec ție atunci când demonteaz ă
echipamentul vechi și curăță interiorul vehiculului.
Dispozitivul hibrid de umflare al sacului de aer (gaz comprimat și pirotehnic).
Figura 8.3 este un exemplu de dispozitiv de umflare de tip tubular pentru pasager. Când un curent suficient este tr ansmis prin dispozitivul de ini țiere, sau caps ă, un
filament metalic sub țire acoperit cu o înc ărcătură pirotehnic ă sensibil ă se
supraîncălzește și aprinde aceast ă încărcătură (figura 8.3 a). Aprinderea capsei
asigură suficient ă energie pentru a propulsa un pr oiectil printr-un di sc de rupere,
permițând eliberarea gazului netoxic comprimat (figura 8.3 b). De asemenea,

Figura 8.2
capsă carburant solid filtru șicană încărcătură de amplificare ieșiri ~ Ø 80 … 140 mm
~ 40 mm

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

157proiectilul ciocne ște două focoase, aprinzând o mas ă pirotehnic ă solidă, care la
rândul său încălzește gazul stocat r ămas (figura 8.3 c). Gazul înc ălzit în expansiune
curge afar ă din dispozitivul de umflare prin por țile de ieșire localizate în interiorul
sacului de aer (figura 8.3 d). Durata acestui eveniment este mai mic ă de o zecime
de secund ă.
8.2.4.1 Câteva aspecte privind reac țiile chimice din generatorul de gaz
Generatorul de gaz a c ărui funcțiune este de a umfla air-bagul, con ține pastile
de culoare alb ă formate dintr-un amestec de azotur ă de sodiu NaN 3, exploziv ce
formează combustibilul solid, asociat cu alte dou ă substanțe oxidante, azotatul de
potasiu KNO 3 și bioxidul de siliciu SiO 2. Pastilele de azotur ă de sodiu și oxidanți
se aprind de la un detonator ac ționat electric cu un impuls corespunz ător.
Cele trei componente chimice din amestecul ce formeaz ă pastilele de
combustibil ale generato rului de gaz sunt:

azotură de sodiu
(component ă principal ă) NaN 3 reducător
azotat de potasiu
(a doua component ă) KNO 3 oxidant
bioxid de siliciu
(a treia component ă) SiO 2 oxidant

Figura 8.3
ieșiri masă pirotehnic ă solidă disc de rupere capsă proiectil gaz comprimat focos

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

158 Azotura de sodiu este combustibilul amestecului (carburantul solid). NaN 3 este
un compus ionic format din ioni de sodiu Na+ și ioni azotur ă N3– : NaN 3 = Na+(N3-).
Cele trei reac ții chimice ce au loc în generatorul de gaz al air-bagului sunt
următoarele:

reacția 1 2NaN 3 => 2Na + 3N 2 reacție de reducere
(generare de gaz)
reacția 2 10Na + 2KNO 3 => K 2O + 5Na 2O + N 2 reacție de oxidoreducere
(de siguran ță)
reacția 3 K2O + Na 2O + SiO 2 => K 2Na2SiO 4 reacție de rearanjare
(de siguran ță)

În cele ce urmeaz ă se prezint ă în detaliu fiecare din cele trei reac ții ce intervin
în funcționarea generatorului de gaz:

2NaN 3 => 2Na + 3N 2 (la 300°C) (8.1)
Aprinderea azoturii de sodiu NaN
3 (amorsa explozivului, prima component ă a
amestecului din pastile) se traduce printr-o deflagra ție ce elibereaz ă un volum
precalculat de gaz, azot N 2, ce umflă air-bagul. Trebuie s ă observăm că se formeaz ă
de asemenea și sodiu solid Na care este poten țial foarte periculos, deoarece se
aprinde instantaneu în contact cu apa într-o reac ție foarte violent ă. Aceasta este
rațiunea pentru care azotura de sodiu este amestecat ă cu alți doi produ și oxidanți ce
vor permite eliminarea sodiului format, conform reac ției (8.2) prezentat ă mai jos:
10Na + 2KNO
3 => K 2O + 5Na 2O + N 2 (8.2)
Sodiul Na produs în timpul reac ției (8.1) reac ționează cu azotatul de potasiu
KHO
3 (a doua component ă din amestecul folosit pent ru pastilele carburantului
solid) și în urma reac ției se genereaz ă un volum suplimentar de azot gazos, înso țit
de formarea a dou ă componente solide: oxid de potasiu K 2O și oxid de sodiu Na 2O.
Pentru cazul în care nu tot sodiul degajat din reac ția (8.1) a reac ționat conform
reacției (8.2), generato rul de gaz este înconjurat de un filtru metalic (numit
fiberfrax ) ce reacționează direct cu sodiul Na r ămas pentru a-l neutraliza.
K
2O + Na 2O + SiO 2 => K 2Na2SiO 4 (8.3)

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

159 În sfâr șit, oxidul de potasiu și oxidul de sodiu forma ți în timpul reac ției (8.2)
reacționează cu bioxidul de siliciu SiO 2 (a treia component ă a amestecului), pentru
a forma o sare dubl ă de sodiu și potasiu K 2Na2SiO 4 care este un silicat alcalin,
numit și “praf de sticl ă” (produs inof ensiv, inert și neinflamabil).
Reacția pentru fabricarea azo turii de sodiu este urm ătoarea:
N
2O + NaNH 2 => NaN 3 + H 2O (8.4)
Azotura de sodiu se sintetizeaz ă pornind de la o reac ție a oxidului de azot N
2O
cu amidura de sodiu NaNH 2 .
O problem ă care trebuie avut ă în vedere este reac ția violent ă de aprindere
instantanee a azoturii de sodiu în contact cu apa, dup ă cum urmeaz ă:

NaN 3 + H 2O => HN 3 + NaOH (8.5)
Azotura de sodiu reac ționează cu apa și formeaz ă acid azothidric HN
3 și
hidroxid de sodiu NaOH. În continuare se prezint ă un calcul care permite evaluarea cantit ății de azotur ă
de potasiu necesar ă pentru umflarea unui air-bag. Ne punem problema necesarului
de azotură de potasiu pentru a umfla în condi ții normale de presiune și temperatur ă
un air-bag cu volumul de 70 litri. Prin urmare, conform reac țiilor descrise mai sus, pentru a umfla complet air-
bagul avem nevoie de azot N
2 care să aibă un volum V(N 2) = 70,0 l. În condi ții
normale de presiune și temperatur ă, volumul molar al gazu lui este Vm = 22,4
l/mol. V(N
2) = n(N 2).Vm = n(N 2).22,4 = 70,0 l
de unde: n(N 2) = 70,0/22,4 = 3,13 mol
dar N 2 este furnizat din dou ă reacții (1) și (2) prezentate și mai sus:
2NaN 3 => 2Na + 3N 2 (1)
10Na + 2KNO 3 => K 2O + 5Na 2O + N 2 (2)
avem deci n(N 2)total = n(N 2)1 + n(N 2)2
cu n(N 2)1 = 3/2.n(NaN 3)
și n(N 2)2 = 1/10.n(Na) 1 = 1/10.n(NaN 3)
deci n(N 2)total = 3/2.n(NaN 3) + 1/10.n(NaN 3) = 16/10.n(NaN 3)
sau n(N 2) = 3,13 mol
de unde n(NaN 3) = (3,13.10)/16 = 1,96 mol

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

160 Se poate deci deduce c ă m(NaN 3) = n(NaN 3).M(NaN 3) = 1,96.(65,0) = 127g,
unde m(NaN 3) reprezint ă masa necesar ă de azotur ă de sodiu, iar M(NaN 3) este
masa sa molar ă.
În concluzie, pentru a um fla în întregime un air-bag cu volumul de 70,0 litri (în
condiții normale de temperatur ă și presiune), avem nevoie de 127 g de azotur ă de
sodiu folosit ă drept carburant solid.
8.2.5 Sensorul de distrugere
Sensorul de distrugere poate c ăpăta mai multe forme, ce pot fi în general
descrise ca fiind mecanice sau electronice. Sistemul mecanic (figura 8.4) folose ște
un arc care re ține o rolă într-o pozi ție de fixare pân ă când un impact peste o limit ă
prestabilit ă provoacă o forță suficient ă pentru a învinge rezisten ța opusă de arc.
După aceasta rola se mi șcă declanșând un microîntrerup ător. Întrerup ătorul este de
tip normal deschis, cu o rezisten ță conectată în paralel ce permite monitorizarea
sistemului. Se pot folosi dou ă întrerupătoare identice pentru a fi siguri c ă air-bagul
se desfășoară numai atunci când impactul frontal este suficient. De notat faptul c ă
air-bagul nu se desf ășoară în eventualitatea unei r ăsturnări.
Celălalt tip principal de
sensor de distrugere poate fi descris ca fiind accelerometru. Acesta va sesiza evident decelerarea, care este accelerație negativ ă. Figurile
8.5 și 8.6 prezint ă două tipuri,
unul bazat pe m ărci
tensiometrice, iar cel ălăt
folosește un cristal piezoelectric
(foarte asem
ănător cu sensorul
de detona ție). O modificare
severă a vitezei vehiculului va
determina apari ția unui semnal
de ieșire din ace ști sensori
întrucât masa seismic ă se mișcă. Tipul cu cristal piezoelectric va produce o sarcin ă
electrică, iar tipul cu m ărci tensiometrice o modificare a rezisten ței.
Circuite electronice corespunz ătoare pot monitoriza aceste modific ări și printr-
o programare prealabil ă reacționează atunci când apare un semnal care atinge un
prag fixat. Avantajul acestei tehnici este acela c ă sensorii nu trebuie s ă fie

Figura 8.4șurub
opritor după
contact contact cu arc
rezistor de test
10 kΩ greutate
rolă

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

161proiectați în mod specific pentru un an umit vehicul, întrucât diferen țele între
sistemele de pe vehicule diferite pot fi tratate prin metode software.
8.2.6 Unitatea electronic ă de
control
Componenta final ă este unitatea
electronic ă de control sau unitatea de
control și diagnostic. Câ nd se folose ște
un sensor de distrugere de tip mecanic, teoretic nu ar fi necesar ă nici o unitate
de control electronic ă. Se poate folosi
un simplu circuit pentru a desf ășura
air-bagul atunci când întrerup ătorul
sensorului func ționează. Totuși, există
sistemul de monitorizare sau partea de
diagnostic din unitatea electronic ă de
control, care sunt elemente foarte importante. Dac ă se detecteaz ă un
defect în orice parte a circuitului, atunci se va ac ționa o lamp ă de avarii.
În memoria unit ății electronice de control se pot memora pân ă la cinci (în unele
sisteme chiar mai multe) defecte, codurile putând fi accesate cu ajutorul luminii
pulsatorii sau folosind sisteme de citir e a defectelor cuplate pe linia serial ă.

Figura 8.5
1 – contacte; 2 – montur ă; 3 – izola ție; 4 – arc; 5 – m ărci tensiometrice; 6 – greutate

Figura 8.6 puncte de
fixare
sensori
rezistivi
greutate 1
2
3
4
5
6 direcția de
deplasare
a
în stare de
repaussub acțiunea
accelera ției
masă cristal
element
piezoceramic
pe lamă arc

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

162 O schem ă bloc a unui circuit air-bag este prezentat ă în figura 8.7. Circuitul de
siguranță, care este un sensor de distru gere mult simplificat, previne desf ășurarea
air-bagului în eventualitatea unui sensor principal defect. Un sistem digital folosind
sensori electronici are la dispozi ție circa 10 ms la o vitez ă de 50 km/h pentru a
decide dac ă trebuie activate sistemele de re ținere. În acest timp trebuie efectuate
circa 10.000 de opera ții ale computerului. Informa țiile pentru dezvoltarea acestor
algoritmi se bazeaz ă pe simul ări pe computer. Sistemele digitale pot de asemenea
să memoreze evenimentele de pe durata unei distrugeri, permi țând colectarea de
date reale, ce apar în cazul unui accident. Aceste informa ții vor fi analizate și
valorificate ulterior pentru îmbun ătățirea sistemului de protec ție.
Schema bloc din figura 8.7 prezint ă principalele blocuri ale unit ății electronice
de control, f ără a face preciz ări privind solu țiile tehnologice de r ealizare. Diferitele
soluții vor fi discutate în cadrul acestui capitol într-un paragraf distinct.
8.2.7 Dispozitivul de pretensionare a centurii de siguran ță
Dispozitivul de pretensionare a centurii de siguran ță este tot de tipul cu
acționare pirotehnic ă. Se pot imagina mai multe solu ții, dintre care dou ă sunt
prezentate în figurile 8.8 și 8.9.

Figura 8.7 baterie

LED auto-
diagnoză
circuit auto-
diagnoză
comutator
de siguran ță sensor de
siguranță linie
serială
dispozitiv de
umflare
air-bag
sensor
principal circuit
stabilizator circuit de
alimentare
de rezerv ă

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

163 Procesul de declan șare a dispozitivelor de pretensionare a centurilor de
siguranță coincide cu cel de la air-bag. În cazul dispozitivului din figura 8.8,
dispozitivul pirotehnic (det onant) plasat în corpul 1 forțează fluidul din tubul 2
asupra palelor de pe rotorul unei turbine 4. Mișcarea de rota ție a rotorului cu pale
ale turbinei determin ă rotirea axului rolei pentru centura de siguran ță 3, astfel încât
centura de siguran ță este întins ă pe corpul ocupantului.
Capsa detonant ă este activat ă cu ajutorul unui impuls electric. Presiunea
ridicată ce apare în acest fel for țează deplasarea pistonului prin tubul ce este umplut
cu un lichid. Aceast ă deplasare provoac ă ruperea unei membrane ce închide cel ălalt
capăt al tubului. Lichidul, un amestec de ap ă cu glicerin ă (pentru a nu înghe ța la
temperaturile sc ăzute ce pot fi întrâlnite în mod obi șnuit pe timpul iernii), este
dirijat cu mare vitez ă spre palele rotorului tu rbinei prin deschiderea ap ărută la
capătul tubului dup ă ruperea membranei. Rota ția turbinei antreneaz ă axul rolei cu
centura de siguran ță în sensul înf ășurării, ceea ce determin ă tensionarea centurii.

Figura 8.8
1 – corp cu caps ă detonant ă, cameră
de ardere și piston; 2 – tub; 3 – rol ă
pentru centura de siguran ță;
4 – rotorul cu pale al turbinei fire de conectare
încărcătură exploziv ă
rolă pentru centura
de siguran ță cilindru
piston
cablu
Figura 8.9

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

164 În cazul dispozitivului de pretensi onare din figura 8.9, detonarea înc ărcării
explozive va provoca mi șcarea pistonului. Pistonul trage un cablu ce provoac ă
antrenarea în mi șcare de rota ție a rolei cu centura de siguran ță. Mișcarea se face în
sensul tension ării centurii de siguran ță, ceea ce va imobiliza pe scaun ocupantul
locului respectiv în situa ția unui accident.
8.2.8 Elemente auxiliare
Buna func ționare a sistemului de protec ție pasivă cu air-bag și dispozitiv de
pretensionare a centurii de siguran ță trebuie să fie asigurat ă și într-o serie de situa ții
speciale ce pot ap ărea pe durata producerii unui accident. Din acest motiv, sunt
prevăzute o serie de blocuri auxiliare.
Alimentarea de siguran ță. Dacă bateria vehiculului este distrus ă sau
deconectat ă de la sistemul electric al vehicu lului pe durata unui accident, se
utilizează ca sursă de siguran ță (temporar ă) un condensator ce asigur ă funcționarea
dispozitivelor de declan șare și a circuitelor de aprindere.
Convertorul de tensiune . Acest bloc asigur ă ca întreaga tensiune de func ționare
necesară dispozitivului de declan șare să fie disponibil ă, chiar dac ă tensiunea
bateriei scade sub 4V.
8.3 FUNC ȚIONAREA SISTEMULUI
În figura 8.10 se prezint ă secvența de evenimente în cazul unui impact frontal
la o viteză în jur de 35 km/h. Princi palele evenimente sunt dup ă cum urmeaz ă:
1. Conducătorul auto este în pozi ția normal ă în momentul impactului.
La circa 15 ms dup ă impact vehiculul este puternic decelerat și pragul de
declanșare pentru air-bag este atins.
2. Electrodul de aprindere aprinde carburantul solid sub form ă de pastile din
dipozitivul de umflare.
3. După circa 30 ms aig-bagul se despacheteaz ă, iar conduc ătorul auto s-a
deplasat spre înainte, pe m ăsură ce se deformeaz ă zonele de pliere ale
vehiculului. Centura de siguran ță s-a blocat sau a fost tensionat ă, funcție de
sistem.
4. La 40 ms dup ă impact, air-bagul va fi complet umflat și impulsul
conducătorului auto va fi absorbit de air-bag.
5. La circa 120 ms dup ă impact, conduc ătorul auto se va mi șca inapoi în scaun,
iar air-bagul se va fi dezumflat în cea mai mare parte prin fantele laterale,
asigurând vizibilita te pentru conduc ătorul auto.

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

165 Air-bagul pentru pasagerul din dreapta func ționează într-un mod asem ănător.
Pentru conduc ător se folosesc mai multe posibilit ăți de dispunere, dar plasarea
componentelor air-bagului în cen trul volanului a devenit solu ția cea mai r ăspândită.
În cadrul ac țiunii sisemului de protec ție un rol deosebit de important îl au
sensorii de distrugere. Sensorii de distrugere ( crash sensors ) ce folosesc comutatori
mecanici sunt în mod tipic plasa ți cam la 40 cm de punctul de impact, ceea ce
necesită folosirea mai multor sensori. În mod normal se folosesc 3 la 5 sensori
pentru detec ția multipunct pentru se sizarea distrugerii și comanda desf ășurării air-
bagurilor. Aceste dis pozitive sunt dete ctoare de modificare a vitezei și sunt
calibrate pentru a face contact atunci când schimbarea vitezei în compartimentul pasagerilor este de cel pu țin 20 km/h în 40 ms, aceasta fiind schimbarea de vitez ă
la care ocupan ții locurilor din fa ță vor lovi parbrizul.
Ca sensor de distrugere se poate
folosi un sensor electronic (analogic)
plasat central, într-o configura ție cu
punct unic de detec ție. În cazul unui
accelerometru plasat central, nivelul g
care trebuie sesizat este mai mic decât cel pentru un sensor în punctul de impact (de tip mecanic). Totu și, nu este
necesar decât un singur dispozitiv

Figura 5.10

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

166pentru a monitoriza semn ătura distrugerii. Ca urmare, pentru a supraveghea ie șirea
accelerometrului și a stabili dac ă s-a produs o distrugere se folose ște o unitate
centrală cu microprocesor. Semnalul tipic de ie șire pentru un accelerometru plasat
central pe durata unei sf ărâmări la viteza de 48 km/h este ar ătat în figura 8.11. Se
prezintă de asemenea decelerarea vehiculului și deplasarea ocupan ților. La 48
km/h, sensorul are la dispozi ție 20 ms pentru a detecta sf ărâmarea și a declan șa air-
bagul. Rezult ă o umflare a sacilor de aer în 50 ms dup ă impact, moment în care
ocupanții s-au deplasat circa 18 cm sau aproximativ jum ătate din drumul între
parbriz și punctul de contact cu sacul de ae r umflat. În timpul primelor 20 ms
inițiale, decelera ția poate atinge 20 g, dar valoarea medie este de circa 5 g când air-
bagul este declan șat. Accelerometrul plasat central poate lua una din urm ătoarele
forme: sensor piezoelectric, dispozitiv tensiometric sau sensor capacitiv.
Accelerometrul plasat central are un num ăr de avantaje din
punct de vedere al
performan țelor față de varianta
mecanică. Acestea sunt
reducerea num ărului de sensori
și a conexiunilor de magistral ă
cerute, ceea ce face sistemul plasat central mult mai eficient
ca preț. Există și o îmbun ătățire
în ceea ce prive ște acurate țea de
captare și de prelucrare a
semnalului cu accelerometrul într-un singur punct fa ță de
sensorul mecanic. Aceasta d ă un
punct de declan șare mai bine
definit și o performan ță globală îmbunătățită pe diferite tipuri de caroserii. Sensorii
capacitivi apar ca fiind solu ția tehnologic ă de vârf, deoarece au poten țialul de a fi
atractive ca pre ț, îndeplinesc cerin țele aplica ției și prezintă posibilități de auto-test
și de diagnostic. În aceste aplica ții, o specifica ție tipică de accelerometru este  50
g diapazon de ie șire, acurate țe cu temperatura  5%, lățime de band ă din c.c.  750
Hz și sensibiltate la axa transversal ă < 3%. Pe timpul impactului, sensorul de
sfărâmare poate fi folosit de asemenea pentru pretensionarea centurii de siguran ță.
Funcție de tipul coliziunii (fro ntal, oblic, din spate, stâlp, rostogolire etc.),
momentul declan șării trebuie calculat cu precizie, astfel ca deplasarea spre înainte
permisă să nu fie dep ășită
pe timpul cât air-bagul se umfl ă sau centurile de
siguranță se pretensioneaz ă.

Figura 8.11
decelerare ( g)
modificare
viteză 0 40 deplasare ocupant 80
timp (ms) -80 -40 0 40 cm 80
40 km/h
0 40 80 60 20
impact 100
aprindere
capsă air-bag
umflat

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

167 În majoritatea cazurilor, deplasarea spre înainte a pasagerilor cu un sistem air-
bag este 12,5 cm (regula celor 5 inches). Pentru sistemul de pretensionare a centurii de siguran ță, deplasarea acceptabil ă scade la circa 1 cm. Pentru a umfla air-bagurile
sunt cerute aproximativ 30 ms, iar timpul cerut pentru a realiza pretensionarea unei
centuri de siguran ță cu un retractor de centur ă activat pirotehnic este de
aproximativ 10 ms. Astf el, comenzile de declan șare trebuie date func ție de timpul
în care se atinge deplasarea spre înainte maxim permis ă minus timpul de activare a
respectivului dispozitiv de im obilizare. Prevenirea eficient ă a rănirii impune
aprinderea la momentul oportun, pe baza semnalelor de accelera ție sau decelera ție
la sfărâmare și prelucrarea lor pe baza algoritmului de discriminare a sf ărâmării sau
a semnalului de sensorul (electro)mecanic. Pe baza observa țiilor de mai sus, sistemul de protec ție pasivă complet, cu air-
bag și centură de siguran ță cu pretensionare, lucreaz ă în principiu dup ă cum se
prezintă în continuare. Dispozitivul de pr etensionare a centu rii de siguran ță este
activat dac ă semnalul de la accelerometru dep ășește un parg S
1, în timp ce
declanșarea umfl ării air-bagului se produce la dep ășirea unui prag S2. Efectul optim
al centurilor de siguran ță se obține atunci când acestea sunt pretensionate cât mai
devreme posibil. Pasagerul purtând centura de siguran ță trebuie să fie ferm fixat pe
scaunul vehiculului ( și în acest fel în celula nedeformabil ă pentru pasageri) prin
acțiunea centurii pretensionate, înainte de a se mi șca spre înainte ca rezultat al unei
coliziuni. Din acest motiv, valoarea de prag S1 este fixat ă pentru a fi suficient de
scăzută și astfel pretensionarea centurii de siguran ță este declan șată la o coliziune
frontală cu un obiect rigid la o vitez ă de aproximativ 15 km/h. Valoarea de prag S2
la care este activat air-bagul este fixat mai sus și corespunde unei ciocniri frontale
cu un obstacol rigid la o vitez ă de circa 25 km/h. Sistemul air-bagul nu este activat
dacă viteza în momentul impactului nu este de 25 km/h sau mai mare. Alegerea
acestor valori de ac ționare a dispozitivelor de protec ție s-a făcut astfel încât air-
bagul să fie umflat complet înainte ca un pasager purtând centur ă de siguran ță să se
fi deplasat suficient de mult în fa ță pentru a fi "împachetat". Când sistemul este
activat, etajele de ie șire corespunz ătoare din unitatea electronic ă de control conduc
curentul necesar aprinderii capselor care încep s ă lucreze în generatoarele de gaze
din dispozitivele pirotehnice. Uneori se folose ște o solu ție de activare a air-bagului în dou ă trepte.

Dispozitivul de umflare în dou ă trepte este aprins (detonat) în serie. Un tranzistor
conduce curentul de aprindere pentru treapta a doua cu o întârziere de aproximativ
de 10 pân ă l a 1 5 m s f a ță de prima treapt ă. Acest timp de întârziere asigur ă o
umflare mai “moale” a sacului pentru pasager și o creștere mai lent ă a presiunii în
compartimentul pasagerilor. Cre șterea lentă a presiunii în habitaclu este important ă

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

168în situația în care geamurile ve hiculului sunt închise și o desfășurare prea rapid ă a
air-bagului poate avea efecte nepl ăcute, cum ar fi leziuni ale urechii interne.
8.4 UNIT ĂȚI ELECTRONICE DE CONTROL
Principalele caracteristici ale unit ăților electronice de control sunt determinate
de structura de ansamblu a sistemului de protec ție. O influen ță deosebită o are tipul
de sensor pentru distrugere. În cele ce urmeaz ă se prezint ă câteva solu ții cu o
răspândire semnificativ ă. Cu ocazia analizei se vor face și precizări referitoare și la
alte părți componente ale sistemului
8.4.1 Sisteme de sesizare electromecanice multipunct sau sisteme
distribuite pentru air-bag
Un sistem distribuit de sesizare pe ntru air-bag sau un sistem de sesizare
electromecanic multipunct const ă din doi la patru sensori mecanici de discriminare
a sfărâmării, monta ți strategic în zona de strivire a vehiculului, plus un sensor
suplimentar de armare montat în compar timentul pasagerilor în interiorul unei
unități electronice de control care include diagnostic, rezerv ă de energie și
convertor de tensiune. Închiderea cel pu țin a unui sensor plasat în zona de strivire a vehiculului și
închiderea simultan ă a comutatorului de armare din compartimentul pasagerilor
conecteaz ă direct detonatoarele la bornele plus și minus ale bateriei și inițiază
desfășurarea air-bagului. Dispozitivul de umflare este de tipul în dou ă trepte. În
ceea ce prive ște sensorii mecanici, parametri cum ar fi for ța de imobilizare, masa
bilei și distanța de deplasare determin ă caracteristicile dinamice ale sensorului și
aceștia trebuie s ă fie proiecta ți în concordan ță cu comportarea la sf ărâmare a
vehiculului. În mod normal, sensorul de armare din interiorul modulului de diagnostic și
pentru energia de rezerv ă este de acela și tip cu sensorii de discriminare folosi ți în
zona de strivire.
Avantajul unor astfel de sisteme este acela c ă sensorii de discriminare pot fi
instalați în poziții frontale de cap ăt unde amplitudinile mari ale accelera țiilor pot fi
sesizate în primele etape ale impactului . Dezavantajele se întind de la lipsa
capacit
ății de predic ție a sfărâmării, lipsa unei indica ții a sensorului pentru situa ția
“înțepare deschis ă”, cost ridicat și instalare costisitoare, pân ă la lipsa func ției de
pretensionare a centurii de siguran ță.
Modulul diagnosticare și rezervă de energie. Reglement ările legale impun un
indicator de sistem în “stare de preg ătire” pentru vehicule echipate air-bag (cu
excepția sistemelor integral mecanice). Aceasta înseamn ă că starea de preg ătire a

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

169sistemului air-bag trebuie monitorizat ă în mod constant. Modulele diagnosticare
electronic ă și rezervă de energie realizeaz ă în mod periodic urm ătoarele func ții de
diagnostic: Monitorizare . Acestă funcție diagnostic include urm ătoarele verific ări:
 Toate buclele de aprindere pentru rezisten țe prea mari sau prea mici
 Toate buclele de aprindere pentru scurgeri de curent la plusul sau minusul
bateriei
 Sensorii externi de discriminare a sf ărâmării pentru continuitate (exist ă un
rezistor de diagnostic în paralel cu contactul), pentru scurtcircuit la plusul sau minusul bateriei, în arborele de cab luri, sau pentru o închidere prea lung ă a
contactului (mai lung ă de 1 s)
 Sensorul intern de arma re pentru continuitate și pentru închidere prea lung ă a
contactului
 Ieșirea lămpii de alarm ă pentru scurtcircuite la plusul sau minusul bateriei și
pentru întreruperi
 Condensatorul (condensatorii) din rezerva de energie pentru corecta (corectele)
tensiune (tensiuni) și capacitate (capacit ăți).
Control. Această funcție de diagnostic include urm ătoarele verific ări:
 Bateria de alimentare pentru tensiune prea mic ă sau prea mare
 Tensiunea intern ă stabilizat
ă (în mod normal = 5V) pentru un nivel prea mare
sau prea mic
 Interfața de diagnostic pe ntru scurtcircuite
După faza de ini țializare și conectare a aliment ării, se efectueaz ă încă o dată
următoarele verific ări:
 Verificare citire RA M, ROM, EEPROM
 Verificare circuit “câine de paz ă” (watchdog )
 Verificare tranzistor de ie șire pentru etajul celui de-al doilea pasager (dac ă
acesta exist ă).
Fiecare tip de defect este caracterizat de un cod de defect special. În cazul în care apare un defect, codul corespunz ător este stocat în EEPROM, dup ă ce sistemul
de diagnosticare a stabilit starea "defect". Exist ă diferite moduri de evaluare a
defectelor și diferite grade de toleran ță la defect.
Ceasul defectelor . Soluțiile actuale pentru modulele de diagnostic și rezervă de
energie prev ăd un "ceas al defectelor" ce contorizeaz ă timpul total al manifest ării
defectelor. Exist ă însă și module cu ceasuri ale defectelor pentru fiecare tip de
defect în parte. Capacitatea de stocare a contorului timpului de defect include în mod normal de la 50 la 100 ore cu o rezolu ție de timp de 1 la 5 minute.

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

170 Înregistratorul de sf ărâmare . Secvența evenimentelor relevante ale sf ărâmării
cum ar fi închiderea sensorilor de discriminare, sensorului de armare, nivelul tensiunii de la baterie, te nsiunea energiei de rezerv ă, conectarea etajelor de putere
(dacă acestea exist ă), poate fi stocat ă în memoria EEPROM. Aceasta poate fi f ăcută
sub forma de “instantanee” la momente de timp discret ale condi țiilor din sistem
pentru aproximativ 10 la 20 ms înainte și aproximativ 30 la 50 ms dup ă
desfășurarea air-bagului. Înregistratoarele de sf ărâmare evoluate stocheaz ă de
asemenea valorile aceelera țiilor și decelera țiilor pentru aceea și perioadă de timp
înainte și după momentul deton ării. Opera țiunea permite s ă se obțină informații
despre energia de impact a sf ărâmărilor din lumea real ă.
Interfa ța serială de diagnostic . Conținutul EEPROM (tip de unitate, coduri de
defect, timp de defect, înregistrare sf ărâmare) poate fi recuperat prin intermediul
unei interfe țe seriale bidirec țională de diagnostic. Ini țierea comunica țiilor,
conceptul de diagnostic și software-ul depind de cerin
țele produc ătorului.
Rezerva de energie și convertorul de tensiune . Dacă alimentarea de la baterie se
pierde în urma unei sf ărâmări, funcțiile de aprindere și de stocare în înregistratorul
de sfărâmare se men țin de către rezerva de energie. Aceast ă alimentare de sprijin
este realizat ă de către unul sau mai mul ți condensatori (func ționând ca acumulator
de energie). Pentru bucla de aprindere, rezerva de energie se cableaz ă de tip SAU
cu tensiunea bateriei vehiculului. În cazul unei tensiuni de baterie prea sc ăzută
pentru por țiunea de circuit de monitorizare, rezerva de energie se conecteaz ă la
intrarea regula torului de tensiune. Timpul de supravie țuire pentru aceste
componente se întinde între 0,1 și 1 s.
Există sisteme cu o rezerv ă de energie individual ă pentru fiecare bucl ă de
aprindere precum și pentru circuitul de monitorizare. În astfel de sisteme nu exist ă
nici o pierdere a func țiilor pentru restul bu clelor de aprindere și a înregistratorului
de sfărâmare dac ă una din bucle este scurtcircuitat ă în timpul accidentului și ca
urmare condensatorul energiei de rezerv ă a fost desc ărcat.
Un convertor ridic ător de tensiune p ăstrează rezerva de energie la tensiuni
nominale mai mari decât tensiunea bateriei (de exemplu, VREZERV Ă = 22 V pân ă la
35 V).
8.4.2 Sisteme cu sesizare electronic ă într-un singur punct sau sisteme air-
bag central
În cazul sistemelor cu sesizare electronic ă într-un singur punct (sau sisteme air-
bag central), modulul elec tronic de control este plasat în compartimentul
pasagerilor. Nu exist ă sensori externi în zona de st rivire. Circuitele electronice

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

171includ sensori de accelera ție, algoritmi de prelucrare a semnalelor, diagnostic, etaje
de ieșire, rezerv ă de energie și convertor de tensiune.
Evoluție istorică. Producția unităților air-bag cu sesizare electronic ă într-un
singur punct a început în anul 1980. A cest prim concept utiliza un sensor de
accelerație tensiometric și un comutator cu mercur ca sensor de “armare” (de
“siguranță”). Prelucrarea semnalului se realiza printr-o integrare analogic ă a
semnalului de accelera ție, din care rezult ă o valoare raportat ă la schimbarea de
viteză pe durata impactului, a șa-numita valoare v.
Dacă v depășește un prag fixat specific vehiculului și contactul cu mercur s-a
închis, atunci dispozitivele de re ținere ale sistemului sunt declan șate. Primele
sisteme cuprindeau trei p ărți componente de tip electron ic: sensor, circuit analogic
și unitate de diagnostic ; unitate convertor de tensiune; unitate rezerv ă de energie.
La începutul lui 1987, a intrat în produc ție un alt sistem analogic de integrare
care consta din dou ă părți componente de tip electronic: sensor și unitate de
diagnostic; convertor de tensiune și unitate rezerv ă de energie. Acesta a fost primul
sistem de sensor pentru air-bag bazat pe folosirea unui accelerometru piezoelectric
și conține un microcontroler numai pentru func ții de monitorizare. Sunt incluse de
asemenea stocarea codurilor de defect, ceasul defectelor și înregistratorul
sfărâmării într-un EEPROM. Un itatea a fost proiectat ă să asigure declan șarea air-
bagului pentru conduc ătorul auto, precum și a dispozitivelor de tensionare a
centurilor de siguran ță de la conduc ătorul auto și de la pasagerul din dreapta.
Mijlocul lui 1987 marcheaz ă începerea produc ției a primei unit ăți electronice
cu sensor inclus pentru air-bag folosind algoritm digital de sesizare într-un singur
punct. Cu acest sistem, toate func țiile pot fi integrate într-o singur ă cutie. Figura
8.12 prezint ă schema bloc a acestei unit ăți.
Pentru redundan ță împotriva desf ășurării inoportune, acest ă unitate a fost
proiectată cu două microcontrolere (procesare paralel) și conține un comutator cu
mercur, ca sensor de armare. În 1989, comu tatorul cu mercur a fost înlocuit cu un
comutator reed (comutator ermetic cu gaz inert). Sisteme curente. Caracteristicile esen țiale ale unit ății de control electronic într-
un singur punct pentru air-bag sunt legate de accelerometru, algoritmul de sesizare digitală într-un singur punct, grad ul de disponibilitate a func ției, siguran ța
împotriva declan șării accidentale și gradul de toleran ță la defect a sistemului.

Accelerometre electronice
Accelerometre piezoelectrice. Pentru aplica ții în domeniul sistemelor de
protec
ție pasivă, accelerometrele obi șnuite au fost îmbun ătățite și sunt rezistente la
interferen țele electromagnetice. Exist ă accelerometre cu canale duale care
furnizează semnale de ie șire de mod diferen țial și oferă posibilitatea de a proiecta

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

172unitățile electronice de control air-bag în structur ă integral electronic ă, care înlătură
necesitatea folosirii sensorului mecanic de armare netestabil. Polaritatea invers ă a
semnalelor de la sensor permit unit ății să facă distincția față de semnalele de mod
comun ce pot rezulta din perturba ții electrice.
Diagnoza func ției electrice ale acestor sensori poate fi efectuat ă după
inițializare și astfel se pot monitoriza siguran ța funcționării și starea "gata de lucru"
a sistemului. Alte accelerometre piezoelectrice con țin elemente sensibile cu deviere
mecanică (de exemplu dispozitive de ac ționare piezoelectrice) pentru verificarea
integrității sistemului.

Figura 8.12

convertor
A/D 1

micro-
controler 1

convertor
A/D 2

micro-
controler 2
EEPROM

lampă de
avarii și
diagnoză

etaje de
putere

15
+12 V
contac
31
GNDlampă
avarii
diagnoză
baterie
"+"
baterie
"-""+"air-bag
conducător
"-"air-bag
conducător
"+"air-bag
pasager
"-"air-bag
pasager accelero-
metru logică
de control
sensor de
siguranță
tensiune de
alimentare rezervă de
energie convertor de
tensiune rezervă de
energie

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

173 Accelerometre micromecanice (micromashined) . Accelerometrele micromeca-
nice pot fi montate direct pe placa de circuit imprimat. Circuitele de interfa ță
necesare sunt incluse pe acela și chip cu accelerometrul monolitic de tip capacitiv.
Se garanteaz ă o înaltă liniaritate prin func ționarea în bucl ă închisă. Se realizeaz ă de
fapt o structur ă de traductor cu compensare Aceasta înseamn ă că traversa mobil ă
este întotdeauna centrat ă pe baza for țelor electrostatice de o tensiune de reac ție
proporțională cu devierea (= accelera ția/decelera ția). Domeniul de m ăsurare este
50 g. Pentru auto-test, traversa func țională este deviat ă în mod electrostatic ( și nu
prin acțiunea forțelor mecanice de iner ție ca în func ționarea normal ă).
Algoritm de sesizare într-un singur punct. În mod curent se folosesc în practic ă
diferite tipuri de algoritmi digitali de sesizare a sf ărâmării. Rata de e șantionare a
accelerației variază între 0.5 și 1 ms.
Manipularea matematic ă a semnalului de sf ărâmare (diferen țiere, înmul țire,
integrare) și varierea pragului de declan șare prin mijloace software permit o
discriminare timpurie a diferitelor tipuri de impact (frontal, oblic, dezaxat, stâlp, încălecare). Mai mult, se poat e aplica modelul corespunz ător de predic ție pentru
deplasarea spre înainte și pe aceast ă bază se determin ă punctul de declan șare
corect. Algoritmii digitali de sesizare cres c posibilitatea atât de a detecta sf ărâmări-
problemă, cum ar fi cele cu înc ălecare cu stric ăciuni obsevabile, cât și de a distinge
între impacturi ce necesit ă desfășurare și cele ce nu impun desf ășurare. Aceasta
reprezintă o îmbun ătățire clară față de sistemele cablate hardware cu integrare
analogică. Abordarea digital ă permite programarea "sfâr șit de linie" ( end of line ) a
parametrilor de sensibilitate pentru di ferite modele de automobile. Ace ști parametri
de sensibilitate, ce particularizeaz ă tipul vehiculului, sunt programa ți în memoria
EEPROM a microcontrolerului, ceea ce permite folosirea aceluia și ROM cu
mascare cu restul programului, comun pentru diferite tipuri de automobile.
Module electronice de control. Astăzi, unitățile de control folosesc un sensor
de accelera ție cu un singur canal și un sensor de armare în serie cu etajele de ie șire.
Astfel de unit ăți sunt un amestec de control electronic și mecanic. Prima unitate de
control de sesizare într-un singur punct complet electronic ă a intrat în produc ție la
mijlocul anului 1992. Acest modul încorporeaz ă un accelerometru electronic cu
două canale și nu folose ște nici un comutato r mecanic de siguran ță. Figura 8.13
prezintă schema bloc a modulului electronic de control.
Aprindere în curent alternativ. În mod normal, capsele sunt detonate cu un
impuls de curent continuu (aprindere în curent continuu). Prima unitate cu
aprindere în curent altern ativ a intrat în produc ție la mijlocul lui 1993. Cu aprindere
în curent alternativ, exist ă un condensator în interiorul conectorului capsei, în serie

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

174cu capsa. Acest condensator este înc ărcat și descărcat în mod periodic, astfel c ă
aprinderea este posibil ă numai cu curent alternativ (apr indere în curent alternativ).
Aprinderea în curent a lternativ a fost introdus ă din cauza defectelor care aveau
loc în periferia vehiculului (în afara unit ății electronice de control). Defectele tipice
constau în scurtcircuite în modulul air-bagului (caps ă + dispozitiv de umflare + sac
+ capac) provocate de metale (a șchii), defecte în piesa de contact pentru air-bagul
conducătorului auto (de tip arc de ceas) și scurtcircuite în arborele de cabluri.
Capsele sunt foarte sensibile la impuls uri scurte de curent (3A pentru 60 s pot fi
suficienți pentru a detona înc ărcătura pirotehnic ă de la air-bag).
Principalul beneficiu al aprinderii în curent alternativ este imunitatea la
tensiunile de curent contin uu de pe automobil, cu și fără unitatea central ă, precum
și imunitatea la desf ășurări accidentale cu toate tipurile de defecte ale unit ății
centrale. Pericolul declan șării false se reduce întrucât etajele de ie șire în contratimp
pot comanda aprinderea numai dac ă sunt activate de c ătre microcontroler cu
secvența asincron ă de impulsuri corect ă. O perturba ție a microcontrolerului care s ă
producă în mod accidental o astfel de secven ță de impulsuri este foarte pu țin
probabilă.

Figura 8.13 -V(a)VBAT stabilizator
de tensiune
reset
watchdog
unitate de
testare
bec alarm ă
circuit de
axare convertor
de tensiune
unitate de
testare
bec alarm ă MC68HC11

micro-
controler

convertor
A/D

EEPROM
interfață
serială
a
CG555
VB CG560
VB
VB
VB
test
+V(a)VB
diagnoză GND
1VZ
GND2 VZB
bec A
comut.1
comut.2 bec B
SBE comut.3
diagnoză
air-bag pasager pretensioare conduc ător
pretensionare pasager
air-bag conduc ător
accelerometru rezervă de
energie

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

175 Un dezavantaj al sistemului de aprindere în curent alternativ este
diagnosticarea buclei de aprindere, mult mai complex ă pentru unitatea central ă.
Diagnosticarea trebuie s ă monitorizeze atât rezisten ța cât și capacitatea în bucl ă.
8.5 ACCEROMETRU MICROMECANIC
După cum s-a men ționat în paragraful dedicat unit ăților electronice de control,
una din solu țiile cele mai performante ale sistemelor de protec ție pasivă este legat ă
de utilizarea unui traductor cap acitiv realizat cu micromecanic ă integrată în
tehnologie monolitic ă.
În cele ce urmeaz ă se prezint ă un accelerometru de tip monolitic cu
condiționare de semnal ADXL 50 realizat de firma Analog Devices.
8.5.1 Caracteristici generale
Principalele caracteristici ale accelerometrului ADXL 50 sunt urm ătoarele:
 Sistem complet de m ăsurare a accelera țiilor pe un singur circuit integrat
monolitic
 Domeniul de m ăsurare: ± 50 g
 Autotest în sistem cu comand ă digitală
 O singură tensiune de alim entare: de + 5 V
 Sensibilitate precalibrat ă la 19 mV/g
 Amplificator-buffer intern pentru utilizator fo losit la ajustarea sensibilit ății și a
nivelului zero- g
 Răspuns în frecven ță: curent continuu pân ă la 10 khz
 Supraviețuire la șocuri de nivel ridicat > 2000 g, nealimentat
 Alte versiuni disponibile: ADXL 05 (±5 g)
8.5.2 Descriere general ă
ADXL 50 este un sistem complet de m ăsurare a accelera ției pe un singur
circuit integrat. Pentru a m ăsura accelera ții până la ± 50 g sunt necesare trei
condensatoare exterioare și o tensiune de alimenta re de + 5V. Sensibilitatea
dispozitivului este ajustat ă în fabric ă la valoarea de 19 mV/g, rezultând un
diapazon de ie șire ce oscileaz ă între ± 0,95 V pentru o accelera ție aplicată de ± 50
g. Nivelul de ie șire de zero g este de + 1,8 vol ți.
O func ție de auto-test, compatibil ă TTL poate deflecta pe principiu
electrostatic grinda sensorului, în orice moment, pentru a verifica func ționalitatea
dispozitivului.

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

176 Pentru confort în utilizare (ca avanta j), ADXL 50 are un amplificator tampon
(buffer) intern cu un diapazon de ie șire de la 0,25 la 4,75 V. Acesta poate fi folosit
pentru a seta un nivel de zero- g și a schimba sensibilitatea de ie șire prin utilizarea
rezistențelor externe. Pentru a asigura 1 sau 2 poli de filtrare, re țelei rezistive i se
pot adăuga capacit ăți externe. Interfa țarea cu majoritatea convertoarelor analog-
digitale sau cu microcontrolere se poate face f ără componente active externe.
ADXL 50 folose ște o metod ă de măsurare capacitiv ă. Tensiunea de ie șire
analogică este direct propor țională cu accelera ția și este în întregime scalat ă,
referită și compensat ă în raport cu temperat ura, rezultând o înalt ă acuratețe și
liniaritate în întreg dome niul de temperaturi. Circ uitele interne implementeaz ă o
buclă de control cu urm ărire care îmbun ătățește acurate țea oricăror varia ții
mecanice ale sensorului. ADXL 50 este disponibil într-o capsul ă metalică cu 10 pini tip TO-100,
specificat ă pentru un domeniu de temperaturi de la 0 ° C la + 70 °C (comercial) și
– 40 °C la + 85 °C (industrial). La cerere se ob
țin dispozitive specificate pentru
funcționarea în domeniul de temperaturi speci fic pentru automobile, de la – 40 °C
la + 105 °C. ADXL 50 este alimentat de la o tensiune standard de + 5V și este robust,
putând fi folosit în medii dure, industriale și automobile și poate suporta (suprvie țui
la) șocuri mai mari de 2000 g, în situație de circuit nealimentat.
8.5.3 Func ționare
ADXL 50 este un sistem complet de m ăsurare a accelera ției pe un singur
circuit integrat monolitic. El con ține un sensor din polisilic iu tip microprelucrare
(micromecanic ă) și un circuit de condi ționare a semnalului. ADXL 50 este capabil
să măsoare atât accelera ții pozitive cât și negative, pân ă la un nivel maxim de ±50 g.
Figura 8.14 prezint ă o vedere simplificat ă a sensorului de accelera ție din
ADXL 50 în stare de repaus. Structura complet ă a sensorului const ă din 42 celule
unitare și o grind ă comună. Sensorul capacitiv diferen țial constă din plăci fixe
independente și o placă mobilă “plutitoare” ce deviaz ă ca răspuns la schimb ările
din mișcarea relativ ă. Cei doi condensatori sunt conecta ți serie, formând un divizor
capacitiv, cu o plac ă centrală mobilă. O tehnic ă de echilibrare a for țelor se opune
oricărei deviații reziduale datorat ă accelerației și reface pozi ția de 0 g a sensorului
(pe principiul traductorului cu compensare).
Figura 8.15 prezint ă răspunsul sensorului la o accelera ție aplicată. Când aceasta
se produce, placa central ă sau “grinda” se mi șcă în sensul apropierii de una din
plăcile fixe, în timp ce se îndep ărtează de cealalt ă. Plăcile fixe ale condensatorului
sensor sunt comandate diferen țial cu o tensiune rectangular ă de 1 MHz; cele dou ă

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

177unde rectangulare au amplitudini egale, da r sunt defazate între ele cu 180°. În stare
de repaus cele dou ă capacități sunt egale și ca urmare tensiunea de ie șire în centrul
lor electric (adic ă pe placa central ă) este zero.
Atunci când sensorul începe s ă se miște, se produce o desperechere a valorilor
capacităților sale, ceea ce determin ă apariția unui semnal de ie șire pe placa
centrală. Amplitudinea de ie șire va crește cu mărimea accelera ției măsurate de c ătre
sensor. Informa ția privind direc ția de mi șcare a grinzii este con ținută în faza
semnalului, pentru a extrage aceast ă informa ție fiind folosit ă demodularea
sincronă. De notat faptul c ă sensorul trebuie pozi ționat astfel încât accelera ția
măsurată să fie în lungul axei sensibile dorite ( ținând seama c ă accelerația este o
mărime vectorial ă definită de modul, direc ție și sens).
Figura 8.16 prezint ă schema bloc a circuitului ADXL 50. Tensiunea de ie șire
de pe placa central ă a sensorului este bufferat ă și apoi aplicat ă unui demodulator
sincron. Demodulatorul este de asemenea alimentat cu un semnal (nominal) de
clock de 1 MHz, de la acela și oscilator care comand ă plăcile fixe ale sensorului.
Demodulatorul va redresa orice tensiune sincron ă cu propriul semnal de clock.
Dacă tensiunea aplicat ă este sincron ă și în fază cu clockul, va rezulta o tensiune de
ieșire pozitiv ă. Dacă tensiunea este sincron ă, dar defazat ă cu 180° fa ță de clock,
atunci ie șirea demodulatorulu i va fi negativ ă. Toate celelalte semnale vor fi
rejectate. Un condensator extern, C1, fixeaz ă banda de trecere a demodulatorului.
Ieșirea demodulatorului sincron comand ă preamplificatorul – un amplificator
tampon tip instrumenta ție – care are referin ță o tensiune de +1,8V. Semnalul de la
ieșirea preamplificatorului este transmis înapoi la sensor printr-o rezisten ță de

Figura 8.14 Figura 8.15 VEDERE DE SUS
accelera ție
aplicată
celulele
CS1șiC S 2
semnifică
ancoră grindăVEDERE DE SUS
platou
central grindă CS1 suport CS2
platou
central
platouri
externe fixe
celulele
CS1 și CS2
semnifică
ancoră

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

178izolare de 3 M Ω. Tensiunea de corec ție cerută pentru a men ține placa central ă a
sensorului în pozi ția 0g este o măsură directă a accelera ției aplicate și apare la pinul
VPR al capsulei circ uitului integrat.
Când circuitul integrat ADXL 50 este supus unei accelera ții, sensorul s ău
capacitiv începe s ă se miște, determinând apari ția unui semnal semnal de ie șire
instantaneu. Acest semnal este condi ționat și amplificat de c ătre demodulator și
peamplificator. Tensiunea de curent continuu care apare la ie șirea preamplificato-
rului este apoi transmis ă înapoi la sensor și forțele electrostatice repozi ționează
placa central ă în poziția inițială centrală.

Figura 8.16

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

179 La 0 g, ADXL 50 este calibrat s ă furnizeze +1,8V la pinul V PR. Cu o accelera ție
aplicată, tensiunea V CR se modific ă până la tensiunea necesar ă de a men ține fix
sensorul pe durata acceler ării și se formeaz ă un semnal de ie șire care variaz ă în
mod direct cu accelera ția aplicată.
Lățimea benzii buclei corespunde timpului cerut pentru a aplica reac ția de la
sensor și este fixat ă de condensatorul C1. R ăspunsul buclei este suficient de rapid
pentru a urm ări modific ările în nivelul g până la și depășind 1 kHz. Circuitul are
capacitatea de a men ține un răspuns plat în întreaga band ă de trecere, p ăstrând
sensorul virtual f ără mișcare. În esen ță, aceasta elimin ă orice neliniaritate sau
efecte de îmb ătrânire datorate constantei elastice mecanice a grinzii sensorului, în
comparație cu un sensor în bucl ă deschisă.
Posibilitatea de ajustare a factorului de scal ă și a nivelului de decalaj la 0 g în
întreg domeniul este asigurat ă de un amplificator tampon neconectat. O referin ță
internă furnizeaz ă necesarul de tensiu ni stabilizate pentru alimentarea chip-ului și
+3,4 V pentru utilizare extern ă. Dimensiunile mecanice reduse ale sensorului,
permit acestuia s ă fie deflectat electrostatic pe întreaga scal ă atunci când
funcționează cu o tensiune de alim entare de +5V. Prin aplicarea unui nivel logic
“high” TTL (> +2,0 V) la pinul de auto-test al circuitului se ini țiază un auto-test,
ceea ce va determina ca chip-ul s ă aplice o anumit ă tensiune de deflexie pe grind ă,
provocându-se astfel o deplasare de o valoare egal ă cu cea de la –50 g (capătul
negativ de scal ă al dispozitivului). De notat faptul c ă toleranța de ±10 % a
circuitului de auto-t est nu este propor țională cu eroarea de sensibilitate.
Semnalul de ie șire a preamplificatorului din ADXL 50 este de 1,8 V la o
accelerație 0g, cu un domeniu de ie șire de ±0,95 V pentru o intrare de ±50 g, adică
19 mV/g. Pe chip a fost inclus amplif icator tampon, pentru a spori capacitatea +3.4V +3.4V
Cpreamplificator
demodulator
sincron grindă+5V
V PR
+3.4V buclă internă
de reacție +1.8VC2
câștig buclă = 10
auto-test
(ST) C1
V REF +1.8V
3 MΩ
50 kΩcapacitate
externă
demodulator 33 kΩ 33 kΩ
RST CS2 CS1 capacitate
externă de
decuplare oscilator
180°
sincro 0°
amplificator
buffer +0.2V
+3.4V +5V
+3.4V referință
internă +5V
+5V 75 Ω
+1.8V +0.2V
V IN- COM COMUN oscilato
r
V OUT +1.8Vindică pin extern
de conectare
_+
_+

ELECTRONIC Ă PENTRU AUTOMOBILE

180utilizatorului de a decala nivelul semnalului de 0 g și de a amplifica și filtra
semnalul. Accesul este asigurat atât la intrarea inversoare, cât și la ieșirea acestui
amplificator, prin intermediul pinilor V OUT și V IN-, în timp ce intr area neinversoare
este conectat ă intern la o tens iune de referin ță de +1,8 V. Tensiunea de +1,8 V este
obținută de la un divizor rezistiv conectat la referin ța de 3,4 V.
8.5.5 Func ția auto-test
Una din caracteristicile esen țiale extrem de util ă în aplicațiile cu sisteme pasive
de siguran ță de tipul air-bag și pretensionarea centurilor de siguran ță se referă la
posibilitatea de auto-testare a sensorului de distrugere, care în cazul variantelor mai
noi este de fapt un accelerometru.
Intrarea digital ă auto-test este compatibil ă atât cu semnalele TTL cât și CMOS.
Un “1” logic aplicat la intrarea auto-t est (ST) va determina aplicarea unei for țe
electrostatice sensorului, astfel încât acesta s ă se abată până la aproximativ ie șirea
negativă de capăt de scal ă a dispozitivului. Ca atare, o func ționare corect ă a
accelerometrului va r ăspunde prin ini țierea unei schimb ări la ieșirea V PR de
aproximativ de –1 V. Dac ă ADXL 50 este supus unei accelera ții când se ini țiază
un auto-test, ie șirea V PR va fi egal ă cu suma alegebric ă a celor dou ă întrări. Ieșirea
va rămâne la nivelul de auto-test atât timp cât intrarea ST r ămâne la nivel ridicat și
va reveni la nivelul de 0 g când tensiunea ST este îndep ărtată.
Un semnal de ie șire auto-test care variaz ă cu mai mult de ±10 % de la valoarea
nominală de schimbare de -1,0 V indic ă o grindă defectă sau o problem ă de circuit,
cum ar fi o component ă sau un pin întrerupte sau un scurtcircuit.
Funcționarea amplificatorului tampon din ADXL 50 la câ știguri >2, pentru a
asigura diapazoane mai mici de ±50 g, poate provoca o situa ție în care ie șirea de
auto-test s ă supracomande tamponul pân ă la satura ție. Totuși, funcția de auto-test
încă mai poate fi folosit ă în acest caz, dar schimbarea nivelului de semnal la ie șire
trebuie atunci s ă fie observat ă la pinul V PR și nu la ieșirea tamponului.
De notat c ă valoarea diferen ței (variației) la auto-test nu este o indica ție exactă
a sensibilit ății (mV/g) pentru ADXL 50 și ca urmare nu poate fi folosit ă pentru a
calibra dispozitivul sau pentru a evalua eroarea de sensibilitate.
În aplica ții critice, este uneori necesar s ă se urmărească modificările tensiunii
de polarizare 0 g de la valoarea sa ini țială. O modificare a nivelului de polarizare de
0g indică faptul că nivelul de 0 g s-a deplasat, ceea ce poate autoriza setarea unui
cod de defect sau ac ționarea unui sistem de alarm ă.
8.6 PERSPECTIVE DE DEZVOLTARE

8. SISTEMUL DE PROTEC ȚIE PASIV Ă CU AIR-BAG ȘI CENTUR Ă DE SIGURAN ȚĂ CU PRETENSIONARE

181 În figura 8.17 se prezint ă o soluție de protec ție cu air-baguri și centuri care se
folosește pe automobile Mercedes E-Class, produc ție anul 2002.
Produc ția în domeniu se orienteaz ă spre air-baguri a șazis "inteligente". În acest
caz umflarea se va face de o manier ă mai precis ă și progresiv ă. Sacul gonflabil al
viitorului va fi asociat cu noi sens ori cu ultrasunet e sau în infraro șu și cu sensori de
greutate care vor fi capabili de a controla umflarea prin luarea în consid erare a unor
factori cum ar fi de exemplu constitu ția și poziția pe scaune a ocupan ților.
În privin ța generatoarelor de gaz, cercet ările se orienteaz ă spre utilizarea unor
combustibili solizi f ără azotură de sodiu, care este, dup ă cum s-a v ăzut, un produs
extrem de toxic ce pune probleme dificile de protec ție a mediului. Tehnologia
generatoarelor de gaz f ără azotură de sodiu ce ofer ă un randament superior (din
punctul de vedere al volumului de gaz generat) se pare c ă ar fi deja pus ă la punct.
Din punct de vedere al cotelor de pia ță, cel mai mare proiectant și producător
în domeniul air-bagurilor es te societatea Autoliv, filial ă a grupului suedez
Electrolux. Autoliv este de asemenea lider european în domeniul centurilor de siguranță. Pentru stabilirea elementelor logice specifice fiec ărui tip de automobil
necesare controlului sistemului de protec ție, Autoliv dispune de 9 centre de
cercetări.

Figura 8.17
1–sensori frontali; 2–air-bag în dou ă trepte pasager fa ță; 3–dispozitiv de declan șare cu
sensor; 4–recunoa ștere prezen ță pasager, cu clasificare greutate și recunoa ștere
automată scaun pentru copil; 5–sensor suplimentar pentru air-bag lateral(sidebag); 6–
sidebag în scaun; 7–pretensionare cu limitator de for ță adaptiv; 8–air-bag
geamuri(windowbag);
9–sidebag locuri spate; 10–pretensionare cu limitator adaptiv spate; 11–airbag în dou ă
trepte conduc ător
2 3 4 1 5 6 7 8 9 10
11 1 5 6 7 8 9 10