Fehlersuche in der Automobilelektrik

06-05-2013 | Automobilindustrie

Spannungsabfalldiagnose

Einer der heute in Automobilwerkstätten am häufigsten zu behandelnden Fehler ist der sogenannte Spannungsabfall. Wenn eine Prüfung auf Spannungsabfall unterbleibt, bleiben zahllose unerklärbare elektrische Fehler bestehen, insbesondere dann, wenn diese die Erdseite eines Stromkreises betreffen. Dies kann auch dazu führen, dass Teile ausgetauscht werden, die gar nicht fehlerhaft sind.

Je mehr Anschlüsse und Verkabelungen in einem Fahrzeug vorhanden sind, desto anfälliger ist die Elektrik für einen Spannungsabfall.

Um einen Spannungsabfall zu vermeiden, ist ein sicherer Umgang mit Elektrizität zu empfehlen. Dieser beinhaltet die Messung von Spannungsabfall, bevor irgendwelche Schlussfolgerungen gezogen werden. Ein „Spannungsabfall" in einem Stromkreis bedeutet, dass dieser zu begrenzt ist, um eine Komponente (Motor, Relais, Glühlampe usw.) zu betreiben bzw. korrekt zu betreiben. Beschränkte Stromkreise sind zu reparieren und erneut zu testen. Wenn keine Beschränkung mehr besteht, die Komponente aber immer noch nicht (korrekt) lauffähig ist, tauschen Sie sie aus.

Wenn im vorliegenden Beispiel das Wasserrohr komplett ausfällt, fließt kein Wasser mehr, der Druck fällt auf Null und das Wasserrad dreht sich nicht mehr. Im elektrischen Bereich geschieht das Gleiche, wenn ein Kabel abfällt oder eine Verbindung unterbrochen wird. Der Strom fließt nicht weiter, und die Spannung fällt auf Null. Ein Anlasser würde nicht mehr laufen oder ein Scheinwerfer ausgehen.

Anzeichen eines Spannungsabfalls

Anzeichen elektrischer Spannungsabfälle können je nach Aufgabe des Stromkreises oder der Schwere des Spannungsabfalls unterschiedlich sein. Dies kann verwirrend sein und widersprüchlich wirken.

  • Nicht betriebsfähige elektrische Teile
  • Träge und antriebsschwache elektrische Geräte
  • Unregelmäßig und intermittierend arbeitende Geräte
  • Geräte, die in Perioden hoher elektrischer Belastung verzögert oder fehlerhaft arbeiten
  • Übermäßige Funkinterferenzen oder Rauschen im Funk
  • Beschädigte Gaszug- oder Getriebekabel oder -verbindungen
  • Wiederholte Ausfälle von Gaszug- oder Getriebekabeln
  • Beschädigte Antriebsstrangteile
  • Probleme bezüglich Motor- oder Getriebeleistung
  • Kein Start oder Startschwierigkeiten
  • Hohe Sensor- oder Computerspannungen
  • Fehlerhafte Motor- oder Getriebe-Computerleistung
  • Falsche Fehlercodes im Speicher eines beliebigen Bordcomputers
  • Vorzeitiger oder wiederholter Kupplungsausfall beim AC-Kompressor

Dieser Symptomliste lassen sich einige Aspekte entnehmen.

  1. Die meisten elektrischen Spannungsabfälle lassen sich per Sichtprüfung nicht erfassen. Die Korrosion in einer Verbindung oder das beschädigte Kabel, welches das Problem verursacht, sind meist nicht sichtbar.
  2. Spannungsabfälle auf der Erdseite können ursächlich für die meisten dieser Symptome sein und werden oft übersehen. Ein Stromkreis oder eine Komponente ist immer nur so gut wie die zugehörige Erdung.
  3. Je komplizierter die Elektrik, desto wichtiger sind die Erdungen. Die Anzahl elektrischer Komponenten hat schnell zugenommen, und die meisten verfügen nicht über separate Erdungskabel. Stattdessen werden die Geräte mit dem Motor oder der Karosserie geerdet. Rost, Fett, Schwingungen und/oder unsorgsame Reparaturen können den Stromkreis von Motor/Karosserie zur Batterie und zurück einschränken.
  4. Viele Komponenten wie Motorsensoren sind mit der gleichen Erde verbunden. Eine fehlerhafte Erdung erschwert daher die Diagnose, da sie mehrere Komponenten zeitgleich betrifft.
  5. In einigen Werkstatthandbüchern und Diagnosediagrammen oder Fehlerbaumstrukturen wird empfohlen, die Prüfung der Erde zuletzt vorzunehmen. In Wirklichkeit geht es wesentlich schneller, wenn Sie erst die Erdungsverbindung prüfen und dann die Fehlerbaumstruktur durchgehen.
  6. Es ist schneller und sinnvoller, den Spannungsabfall eines Stromkreises routinemäßig zu prüfen, als sich lange Symptomlisten zu merken. Wenn uns die Erfahrung eines gelehrt hat, dann ist es, dass die aufwendige Symptomanalyse kein Ersatz für eine routinemäßige und gründliche Spannungsabfallanalyse sein kann.

Durch unsere Erfahrung kennen wir noch weitere Gründe, warum der Spannungsabfall zuerst geprüft werden sollte. Spannungsabfälle, die meist auf der Erdseite auftreten, verursachen ungenaue oder merkwürdige Voltmeter-Messwerte und Oszilloskop-Muster. Wenn Sie zudem ein Voltmeter oder Oszilloskop an ein System mit fehlerhafter Erdung anschließen, können die Prüfmessgeräte selbst eine gute Ersatzerdung bieten. Das kann frustrierend sein, da der Stromkreis funktioniert, solange die Geräte angeschlossen sind, und Sie dann keinen Fehler finden!

Grundlegende Verfahren

Immer, wenn Sie es mit einem elektrischen Problem zu tun haben, sollten Sie mit Ruhe an die Sache herangehen und die grundlegendste elektrische Komponente, die Reihenschaltung, in Betracht ziehen. In den Zeichnungen 1 bis 7 sind grundlegende Reihenschaltungen zu sehen. Ganz gleich, wie kompliziert ein System sein mag: Sie können es immer auf Minireihenschaltungen reduzieren. Prüfen Sie anschließend jeden Stromkreis auf einen Spannungsabfall.

Vergleichen Sie den Strom mit Wasser, das durch einen Wasserkreislauf fließt. Durch den Wasserdruck innerhalb des Behälters wird Wasser literweise durch die Leitung befördert. Das Wasser treibt das Wasserrad an und fließt dann in das Reservoir zurück. In einem Stromkreis treibt die elektrische Spannung (Voltzahl/Volt) das elektrische Volumen (Strom oder Ampere) durch den Schaltkreis und treibt dabei eine Last an. Bei dieser Last kann es sich um einen Computer, einen Motor, eine Lampe, ein Relais oder ein sonstiges Gerät handeln. Im Wasserkreislauf verbraucht das Wasser den größten Teil seiner Energie für den Antrieb des Wasserrads. Das Wasser fließt weiter zum Reservoir, jedoch mit einem geringeren Druck.

In ähnlicher Weise wird der elektrische Druck (die Spannung) beim Betrieb der Last verbraucht. Entsprechend fällt die Spannung auf der Erdseite auf etwa Null, während der Strom weiter zur Batterie fließt. Da die Spannung in einer intakten Erdungsverbindung in etwa Null betragen sollte, wird sie von einigen Technikern Ground Zero genannt.

Durch eine geknickte Rücklaufwasserleitung zum Reservoir verlangsamt sich das Wasserrad und sorgt für einen Druckmesswert auf der Rückseite des Rads. In gleicher Weise verringert sich durch einen Spannungsabfall die Lastleistung, und es entsteht ein Spannungswert auf der Erdseite der Last.

Widerstand – Beschränkung

Stellen Sie sich zur Veranschaulichung eines überhöhten Widerstands einen Knick vor, der den Wasserfluss durch ein Rohr begrenzt. Ein Knick in einem Wasserkreislauf (ob auf Zufuhr- oder Rückfuhrseite) führt ganz offensichtlich zu einem beschränkten Wasserfluss, sodass das Wasserrad langsamer wird oder sich gar nicht mehr dreht.

Ein übermäßiger Widerstand wirkt sich in gleicher Weise auf einen Stromkreis aus. Fehlerhafte Verbindungen und beschädigte oder zu kleine Kabel verhalten sich wie ein Rohr mit Knick und begrenzen den Stromfluss. Wie beim Wasserkreislauf wird durch die Begrenzung des Stromflusses an beliebiger Stelle – ob auf der heißen Seite oder Erdseite – die Leistung der Last gesenkt. Der Effekt der Last ist schwer vorauszusagen, da er je nach Ausmaß der Begrenzung unterschiedlich ausfällt. So kann der Motor in einem begrenzten Stromkreis ganz ausfallen oder lediglich langsamer laufen als sonst.

Ein begrenzter Schaltkreis kann dazu führen, dass eine A/C-Kompressorkupplung abrutscht und vorzeitig ausbrennt. Ein Computer, der an einen begrenzten Schaltkreis angeschlossen ist, kann sich abschalten oder fehleranfällig werden. Korrosion, lockere Anschlüsse oder sonstige Arten von Widerstand schränken den Schaltkreis ein und führen zum Abfall von Volt- und Amperezahl. Bei fallender Voltzahl sinkt auch die Amperezahl. Wenn Sie also einen Spannungsabfall an einem Anschluss oder Kabel vorfinden, wissen Sie, dass Verbindung oder Kabel eingeschränkt sind.

Schauen Sie sich die Wasserkreisläufe in unseren Zeichnungen an, und merken Sie sich zwei wesentliche Punkte. Ein freier Fluss an der Erdseite ist genauso wichtig wie an der stromführenden Seite. Spannungswerte über 0–0,1 V in einer Erdungsverbindung können nur durch eine Beschränkung auf Erdseite hervorgerufen werden.

Durch eine komplett ausgefallene Rücklaufwasserleitung wird das Wasserrad zum Halten gebracht und es entsteht ein Druckmesswert auf der Rücklaufseite des Rads. In gleicher Weise wird der Stromfluss durch ein beschädigtes Erdungskabel vollständig blockiert, die Last wird abgeschaltet und es entsteht eine Systemspannung auf der Erdseite der Last.

Spannungsabfalltests

Die Höhe des Spannungsabfalls variiert je nach Stromfluss. Solange der Schaltkreis so betrieben wird, dass durch diesen Strom fließt, ist kein Spannungsabfall messbar. Da der Akku eines Ohmmeters nicht die Spannung herstellen kann, die durch die meisten Stromkreise fließt, lassen sich Beschränkungen mithilfe von Ohmmetertests nicht so genau erkennen wie mit Spannungsabfalltests.

Offene Stromkreise, die beispielsweise durch beschädigte oder getrennte Kabel oder Kabelanschlüsse entstehen, bringen den Stromfluss zum Halten. Nachdem Sie den Stromkreis wieder geschlossen haben, schalten Sie ihn wieder ein und prüfen Sie, ob der Spannungsabfall noch vorliegt. Erst, wenn der Strom wieder fließt und Sie den Stromkreis erneut geprüft haben, können Sie mit Sicherheit sagen, ob der Gesamtstromkreis wieder funktioniert.

Widerstandsfreie Anschlüsse, Drähte und Kabel wären zwar ideal, die meisten sorgen jedoch zumindest für einen gewissen Spannungsabfall. Wenn in Ihren Handbüchern keine Spannungsabfallwerte aufgeführt sind, verwenden Sie die folgenden Obergrenzen:

  • 0,00 V an einer Verbindung
  • 0,20 V an einem Draht oder Kabel
  • 0,30 V an einem Schalter
  • 0,10 V an einer Erde

Da die meisten Computerstromkreise nur im unteren Milliamperebereich betrieben werden, ist die Toleranz für Spannungsabfälle dort geringer als in anderen Schaltkreisen. Beachten Sie: Ein Milliampere entspricht einem Tausendstel (0,001) Ampere. Der empfohlene maximale Abfall zum Arbeiten entspricht 0,10 V bei Niederspannungskabeln und -schaltern. Zum Testen von Niederspannungsstromkreisen ist auch ein Voltmeter mit einer hohen Impedanz (10 Megaohm) erforderlich. Ein Voltmeter mit geringer Impedanz könnte so viel Niederspannung messen, dass es einen falschen oder gar keinen Messwert ausgibt. Die meisten professionellen Digitalmultimeter (DMMs) verfügen über eine Eingangsimpedanz von 10 Megaohm. DMMs bieten die schnellste Möglichkeit zur Messung von Spannungsabfällen. Wenn Ihr DMM über keine automatische Bereichswahl verfügt, verwenden Sie für den Spannungsabfalltest eine Niederspannungsskala (0–1 V). Denken Sie daran, dass Testleuchten zur Diagnose elektrischer Spannungsabfälle nicht genau genug sind.

Schnellmessverfahren für den Erdwiderstand
Da ein Spannungsabfall durch Erdungsverbindung die meisten zuvor angeführten Anzeichen hervorrufen kann, gewöhnen Sie sich am besten an, bei der Arbeit zunächst Erdprüfungen vorzunehmen. Prüfen Sie routinemäßig die Motor- und Karosserieerdung, bevor Sie Aufrüstungen vornehmen, nach elektrischen Problemen suchen oder ein Anlass-, Lade- ABS- oder Klimaanlagensystem testen. Schließen Sie das Digitalmultimeter zwischen Motor und negativer Batterieklemme an. Deaktivieren Sie sicher die Zündung und starten Sie einige Sekunden lang den Motor.

Bei übermäßigem Spannungsabfall reparieren Sie die Erdungsverbindung des Motors und wiederholen dann den Test. Beachten Sie, dass sich bei einigen verteilerlosen Zündanlagen ein Motorstart am leichtesten durch Ziehen der Sicherung der Kraftstoffpumpe verhindern lässt. Dann schließen Sie das Digitalmultimeter zwischen der negativen Batterieklemme und der Spritzwand des Fahrzeugs an. Starten Sie anschließend den Motor und das wichtigste elektrische Zubehör. Ist der Spannungsabfall zu hoch? Dann prüfen Sie die Karosserieerdung und führen den Test erneut aus.

Sobald sich die Werte von Motor und Karosserieerdung innerhalb der Grenzen befinden, können Sie mit der Diagnose fortfahren. Wenn sich durch die Problembehebung an diesen Erden die Probleme am Fahrzeug lösen lassen, ist das nichts Außergewöhnliches. Wenn ein Fahrzug den Karosserieerdungstest besteht, bedeutet dies nicht, dass Sie das Voltmeter an jeder beliebigen Stelle erden können. Einige Techniker haben sich stundenlang im Kreis gedreht, da ihre Voltmeter nicht gut geerdet waren. Für einen sicheren Umgang mit Strom sollten Sie sich einen Überbrückungsdraht von ca. 6 oder 9 m Länge mit Krokodilklemmen an beiden Enden zurechtschneiden. Wenn Sie eine elektrische Kraftstoffpumpe, eine Lichtanlage oder einen ABS-Computer an der Rückseite des Fahrzeugs testen müssen, erden Sie das Digitalmultimeter an der Batterie mit dem Überbrückungsdraht.

Knicke der Computererdung

Da Computerschaltkreise bei so geringem Strom betrieben werden, lässt sich eine sehr geringe Erdung mit den Standarderdungstests an einem Bordcomputer nicht unbedingt feststellen. Bevor Sie sich auf die Ursache am Bordcomputer festlegen, prüfen Sie zunächst die zugehörigen Erdungen. Schalten Sie das Computersystem ein und prüfen Sie zunächst jeden Computererdungsanschluss. Wenn Sie etwas über 0,10 V messen, verfolgen Sie diese Erdungsverbindung, um das Problem zu lokalisieren.

Manchmal sind Computererden an eine Stelle angeschlossen, an der leicht Störungen oder Korrosionen auftreten können wie bei einem Thermostatgehäuse-Bolzen. Die Anschlüsse von Computer-Steckverbindern können ebenfalls korrodieren. Manchmal genügt es, den Steckverbinder abzunehmen und die Klemmen mit elektrischem Reiniger zu besprühen, um den Spannungsabfall zu beheben.

Die Erfahrung hat gezeigt, dass bereits 0,30 V an einem Computererdungsanschluss Probleme verursachen können. Versuchen Sie, dies mit einer Testleuchte sicher festzustellen! Fehlerhafte Computer- und/oder Sensor-Erden können zu erhöhten Sensorspannungen und falschen Fehlercodes führen. In vielen Fällen wird der Sensor oder Computer durch die fehlerhafte Erdung daran gehindert, ein Spannungssignal bei oder nahe Null zu erfassen. Natürlich ist der Zugriff auf den Computer zur Prüfung der Erdungen nicht unbedingt bequem. Der versehentliche Austausch teurer Sensoren und Computer ist jedoch ein größeres Übel.

Verbinden Sie ein Digitalmultimeter mit einem Abschnitt des Schaltkreises. Der Spannungsabfall an Draht, Kabel, Schalter oder Verbindung wird direkt ausgelesen. Hier würde ein Digitalmultimeter den Spannungsverlust zwischen Batterie und Last anzeigen. Das andere würde den Spannungsverlust von der Erdseite der Last zur Batterie anzeigen.

Augen auf bei der Karosserieerdung

Achten Sie immer auf fehlende Karosserieerdungen. Vielleicht hat jemand anderes am Fahrzeug gearbeitet und danach vergessen, die Erdungskabel der Karosserie wieder anzuschließen. Bedenken Sie, dass bei eingeschränkter Karosserieerdung der Strom das Bestreben hat, auf anderen Wegen zurück zur Batterie zu gelangen. Der einfachste alternative Weg könnte durch das Getriebeschaltungskabel oder das Gaszugkabel verlaufen. Durch diesen Strom können nicht nur das Kabel zusammengeschweißt, sondern auch die Muffen und Lager im Getriebe angefressen oder erodiert werden.

Wenn Sie feststellen, dass die Isolierung am Karosserie-Erdungskabel angebrannt ist oder Blasen aufweist, wurde höchstwahrscheinlich das Kabel durch den Einschaltstrom überhitzt. Wenn die Motorerdung begrenzt ist, strebt der Einschaltstrom danach, über die Erdungsverbindung der Karosserie zur Batterie zurückzukehren. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dem Kunden das Problem meist gar nicht sofort auffällt, wenn die Karosserie-Erdungsverbindung die Stromlast auffangen kann.

Bei hohem Stromfluss kann eine eingeschränkte Karosserieerdung Komponenten im Betrieb beeinträchtigen oder abschalten. So können Blinker bekanntermaßen aufhören zu blinken, wenn das Bremspedal betätigt wird. Bei Tests wurde bestätigt, dass die Blinksignale durch eine eingeschränkte Karosserieerdung unterdrückt wurden. Der Strom der Blinksignale und Bremsleuchten konnte über die Erde nicht gleichzeitig verarbeitet werden.

Sicherer Service

Durch einen sicheren Umgang mit Elektrizität können Sie elektrische Probleme schneller und rentabler lösen als durch Raten und Austauschen von Teilen. Setzen Sie noch heute Ihr Digitalmultimeter in Gang, indem Sie elektrische Spannungsabfälle ausschalten. So zeigen Sie Verantwortung.