¿Cómo funciona un sensor de presión de neumáticos? Comprensión del TPMS directo e indirecto

Un conductor circula a 70 mph cuando el tablero muestra un ícono amarillo de presión de neumáticos. El neumático no está visiblemente desinflado y el vehículo aún se conduce con normalidad. Lo que sucedió es que un sensor de presión MEMS montado dentro de la rueda detectó que la presión absoluta había caído de una línea base de 2,2 bar a aproximadamente 1,9 bar. Ese sensor convirtió la presión física en voltaje, la digitalizó y la transmitió a 433,92 MHz al módulo de control de la carrocería, que luego activó la advertencia. Este escenario se repite millones de veces cada día en las carreteras de todo el mundo. Saber cómo funciona un sensor de presión de neumáticos no es sólo una trivialidad de ingeniería; es la base para elegir el componente correcto y para diseñar un sistema confiable de monitoreo de presión automotriz.

Lo que realmente mide un sensor de presión de neumáticos

Un sensor de presión de neumáticos mide la presión absoluta del aire dentro de la cavidad del neumático, normalmente en un rango de 100 a 400 kPa (1,0 a 4,0 bar), y transmite esa lectura de forma inalámbrica a la ECU del vehículo con una resolución de aproximadamente 1 kPa.

El elemento sensor es un chip sensor de presión MEMS: una pequeña matriz de silicio con un diafragma delgado y sensible. Cuando la presión del aire de los neumáticos empuja contra este diafragma, la membrana se dobla unas pocas décimas de micrómetro. Esa desviación mecánica es el evento físico que eventualmente se convierte en el número en su tablero. El sensor está construido como un dispositivo de presión absoluta porque necesita comparar la presión interna del neumático con una referencia de vacío sellada. La presión atmosférica cambia con la altitud y el clima, por lo que una referencia de manómetro introduciría errores de hasta 30 kPa en un solo recorrido.

Cómo el chip MEMS convierte la presión en datos

La conversión de deflexión mecánica a datos digitales sigue una cadena de cuatro pasos: desplazamiento del diafragma, cambio de resistencia a través de un puente de Wheatstone, acondicionamiento de señales analógicas y transmisión de radiofrecuencia.

• Deflexión del diafragma: un bar de presión mueve un diafragma de silicio típico entre 0,5 y 1 micrómetro.
• Puente de Wheatstone: los elementos piezoresistivos estampados en el diafragma cambian la resistencia entre un 1 y un 3 por ciento en toda la escala de presión.
• Acondicionamiento de señal: un ASIC amplifica el voltaje del puente, aplica compensación de temperatura y procesa el resultado en datos digitales de 10 a 12 bits.
• Transmisión de RF: la trama procesada se modula en una portadora de 433,92 MHz o 315 MHz y se transmite a la unidad receptora.

La temperatura es la variable más importante que corrompe la lectura de presión. Un sensor calibrado a 20 C vería que la presión del aire aumenta en 50 kPa en el rango que se muestra arriba. Sin compensación, una unidad no compensada informaría un valor demasiado bajo de aproximadamente 20 kPa en una mañana de invierno, suficiente para generar una advertencia falsa.

Para obtener una visión más amplia de la tecnología detrás de estos dispositivos, consulte esta guía para Sensores de presión MEMS .

TPMS directo versus indirecto: en qué se diferencian los dos enfoques

Direct TPMS utiliza un sensor de presión física en cada rueda. El TPMS indirecto utiliza los sensores de velocidad de las ruedas ABS existentes en el vehículo para estimar la presión. Sólo el TPMS directo devuelve un valor de presión real.

La mayoría de los vehículos modernos utilizan TPMS directo porque proporciona una lectura precisa para cada neumático, lo cual es fundamental para detectar fugas lentas y prevenir el desgaste desigual de la banda de rodadura. La misma tecnología de sensor de presión MEMS también aparece en sensores de presión en vehículos modernos más allá de TPMS, incluido el monitoreo de la presión del aceite y los sistemas de frenos.

Cuatro especificaciones que dictan la selección del sensor de presión de neumáticos

El rango de presión, la precisión, la señal de salida y el embalaje son los cuatro parámetros que determinan si un sensor de presión de neumáticos funcionará de manera confiable en el campo.

Para un turismo que funciona entre 2,2 y 2,5 bares, el umbral de advertencia normalmente se establece en un 25 por ciento por debajo de la presión recomendada por el fabricante. Un rango de 0 a 4 barras cubre esa aplicación sin llegar a ser tan amplio que sacrifique la resolución del sensor.

La precisión es la siguiente limitación. Una compensación de 0,3 bar podría ocultar una fuga lenta o producir una falsa alarma, razón por la cual los mejores sensores de presión MEMS de grado automotriz alcanzan /-0,2 por ciento del rango de escala completa. En un sensor de 4 barras, eso supone aproximadamente 8 kPa de margen de error.

La señal de salida es el tercer punto de decisión. La salida de voltaje analógico en el rango de 0,5 a 4,5 V es simple y ampliamente utilizada, mientras que las salidas digitales como I2C y SPI reducen la susceptibilidad al ruido electromagnético en el arnés del vehículo. Para TPMS directos en una ruta de alta vibración, se prefieren cada vez más las señales digitales.

El embalaje determina la facilidad con la que se puede integrar el sensor en la válvula del neumático o en la llanta. Los paquetes DIP y SIP admiten el montaje de PCB, mientras que los paquetes SOP son comunes cuando el sensor se asienta en el conjunto del vástago de la válvula. El dispositivo también tiene que soportar niveles de vibración de alrededor de 50 ga frecuencias de hasta 1 kHz.

Sensores de presión absoluta MCP-J10, MCP-J11 y MCP-J12 para uso automotriz Estos sensores de presión absoluta calibrados ofrecen salida analógica o digital, miden hasta 4 bar y tienen compensación de temperatura en todo el vehículo, lo que los hace adecuados para sistemas de control de presión de neumáticos. Ver producto →

MemsTech, con sede en la Zona Nacional de Desarrollo Industrial de Alta Tecnología de Wuxi, fabrica sensores de presión para automóviles en función de estos requisitos. Las series MCPJ10, MCPJ11 y MCPJ12 son sensores de presión absoluta con un rango de medición de 0 a 4 bar, disponibles en versión de salida analógica y digital, y su proceso de calibración cubre todo el rango de temperatura del vehículo.

Por qué la compensación de temperatura es fundamental en un sensor de presión de neumáticos

La temperatura dentro de un neumático puede oscilar entre -40 C en un estacionamiento en invierno y 80 C a velocidad de autopista. Si el sensor no se compensa, esta deriva por sí sola puede introducir un error de 15 a 20 kPa, que es lo suficientemente grande como para desencadenar una falsa advertencia de baja presión.

Cada unidad está calibrada de fábrica en varios puntos de temperatura. Los coeficientes de compensación se almacenan en el ASIC interno del sensor durante la producción, por lo que la salida final se corrige automáticamente a medida que el neumático se calienta y enfría. MemsTech sigue este proceso dentro de sus instalaciones de 2000 metros cuadrados, con capacidades internas que cubren embalaje, soldadura, compensación de temperatura y calibración de rendimiento. Cada dispositivo se prueba a escala cero y completa antes del envío para garantizar la coherencia del lote.

Sensor de presión serie MCP-J20 para aplicaciones de colectores de automóviles y motocicletas Diseñada para detectar la presión del colector de admisión en automóviles y motocicletas, esta serie proporciona salida analógica con rangos opcionales de hasta 1000 kPa y está calibrada para lograr precisión sin necesidad de calibración por parte del cliente. Ver producto →

La serie MCPJ20 extiende la misma arquitectura de detección absoluta a un conjunto más amplio de aplicaciones automotrices, incluidas plataformas de SUV y camionetas livianas más grandes con presiones de inflado en frío más altas.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto dura la batería de un sensor de presión de neumáticos?

Los sensores TPMS directos son unidades selladas con una duración de batería de 5 a 10 años. Cuando la batería se agota, se debe reemplazar todo el conjunto del sensor, porque la batería no se puede reparar dentro de una unidad de válvula sellada.

¿Puedo reemplazar un sensor de presión de neumáticos sin cambiar el vástago de la válvula?

En la mayoría de los sistemas TPMS directos, el sensor está integrado con el vástago de la válvula. Algunos kits de posventa permiten reemplazar solo el sensor, pero reemplazar todo el conjunto es el procedimiento de servicio estándar y es más confiable.

¿Qué presión de neumáticos debe leer un sensor TPMS?

Para la mayoría de los turismos, la presión de neumáticos en frío recomendada es de 2,2 a 2,4 bar (32 a 35 psi). El umbral de advertencia del TPMS generalmente se establece en aproximadamente un 25 por ciento por debajo de esa recomendación.

¿Por qué se enciende la luz de mi TPMS cuando hace frío?

Contratos de aire frío. Con una caída de 10 C en la temperatura ambiente, la presión de los neumáticos puede caer entre 7 y 10 kPa. Si el neumático ya estaba cerca del umbral de advertencia, esta caída es suficiente para activar la alerta.