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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL
Principios de Magnetismo
El magnetismo es una fuerza que se utiliza para producir la mayor parte de la energía eléctrica en el mundo. También es la fuerza utilizada para crear la electricidad necesaria para recargar la batería de un vehículo, hacer funcionar el motor de arranque y producir señales para varios sistemas operativos. Un imán es un material que atrae hierro, acero y algunos otros materiales. Debido a que el magnetismo está estrechamente relacionado con la electricidad, muchas de las leyes que rigen la electricidad también rigen el magnetismo.
Hay dos tipos de imanes usados en automóviles, imanes permanentes y electroimanes. Los imanes permanentes son imanes que no requieren ninguna fuerza o potencia para mantener su campo magnético. Los electroimanes dependen del flujo de corriente eléctrica para producir y, en la mayoría de los casos, mantener su campo magnético
Imanes
Todos los imanes tienen polaridad. Un imán que se deja mover libremente se alineará al norte y al sur. Un extremo mirando al norte y el otro extremo mirando al sur, buscando cada uno un polo. Los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. La atracción magnética es más fuerte en los polos.
La densidad de flujo magnético es una concentración de las líneas de fuerza. Un imán fuerte produce muchas líneas de fuerza y un imán débil produce menos líneas de fuerza.
Las líneas de fuerza son invisibles y salen del imán por el polo norte y vuelven a entrar por el polo sur.
Mientras están dentro del imán, las líneas de fuerza se desplazan del polo sur al polo norte.
El campo de fuerza (o campo magnético) es todo el espacio, fuera del imán, que contiene líneas de fuerza magnética. Las líneas magnéticas de fuerza penetran todas las sustancias; no se conoce aislamiento contra líneas de fuerza magnéticas. Las líneas de fuerza pueden ser desviadas sólo por otros materiales magnéticos o por otro campo magnético.
Electromagnetismo
El electromagnetismo utiliza la teoría de que siempre que una corriente eléctrica fluya a través de un conductor, se forma un campo magnético alrededor del mismo. El número de líneas de fuerza y la fuerza del campo magnético producido serán directamente proporcionales a la cantidad de flujo de corriente.
La dirección de las líneas de fuerza está determinada por la regla de la mano derecha. Usando la teoría convencional de que el flujo de corriente es de positivo a negativo, se usa la mano derecha para sujetar el cable, con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de corriente. Los dedos apuntarán en la dirección de las líneas de fuerza magnética.
André Marie Ampère señaló que la corriente que fluye en la misma dirección a través de dos cables cercanos hará que los cables se atraigan entre sí. Además, observó que si se invierte el flujo de corriente en uno de los cables, los cables se repelerán entre sí. Adicionalmente, descubrió que si un cable se enrolla con corriente fluyendo a través del mismo, el mismo campo magnético que rodea un cable recto se combina para formar un campo magnético de mayor intensidad. Este campo magnético tiene polos norte y sur verdaderos. Formando espiras en el cable hace que se duplique la densidad de flujo donde el cable corre paralelo a sí mismo.
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A medida que se agregan más espiras, los campos de cada espira se unirán e incrementaran la densidad de flujo. Para hacer que el campo magnético sea aún más intenso, se puede colocar un núcleo de hierro en el interior de la bobina. El núcleo de hierro dulce tiene alta permeabilidad y baja reluctancia, lo que proporciona un excelente conductor para que el campo magnético viaje a través del centro de la bobina de alambre.
Fig. Un campo magnético rodea a un conductor que tiene corriente que fluye a través del mismo .
Fig. Una espira de conductor
aumenta el campo magnético.
La intensidad de campo de una bobina electromagnética se ve afectada por los siguientes factores:
1. La cantidad de corriente que fluye a través del cable.
2. El número de devanados o vueltas.
3. El tamaño, la longitud y el tipo de material del núcleo.
4. La dirección y el ángulo en que se cortan las líneas de fuerza.
La intensidad del campo magnético se mide en amperios-vueltas:
amperios-vueltas = amperios × número de vueltas
La intensidad del campo magnético se mide multiplicando el flujo de corriente en amperios a través de una bobina por el número de vueltas completas de cable en la bobina. Por ejemplo, en la ilustración, una bobina de 1000 vueltas con 1 amperio de corriente tendría una fuerza de campo de 1000 amperios vueltas. Esta bobina tendría la misma intensidad de campo que una bobina con 100 vueltas y 10 amperios de corriente.
Teoría de la inducción
La electricidad puede ser producida por inducción magnética. La inducción magnética ocurre cuando un conductor se mueve a través de las líneas de fuerza magnéticas o cuando un campo magnético se mueve a través de un conductor. Se crea una diferencia de potencial entre los extremos del conductor y se induce un voltaje. Este voltaje existe solo cuando el campo magnético o el conductor están en movimiento.
El voltaje inducido se puede incrementar aumentando la velocidad a la que las líneas de fuerza magnéticas cortan el conductor o aumentando el número de conductores que se cortan.
Es este principio el que está detrás del funcionamiento de todos los sistemas de encendido, motores de arranque del automóvil y sistemas de carga.
Un dispositivo de inducción común es la bobina de encendido del automóvil. A medida que aumenta la corriente, la bobina alcanzará un punto de saturación. Este es el punto en el que la fuerza magnética eventualmente se nivela y donde la corriente ya no aumentará a medida que pasa a través de la bobina. Las líneas de fuerza magnéticas, que representan la energía almacenada, decaerán cuando se elimine el voltaje aplicado. Cuando las líneas de fuerza decaen, la energía magnética regresa al conductor como energía eléctrica.
Fig. Mover un conductor a través de un magnético
campo induce una diferencia de potencial eléctrico.
La inducción mutua se usa en bobinas de encendido donde un campo magnético rápidamente cambiente en los devanados primarios crea un voltaje en el devanado secundario.
Si se induce un voltaje en los cables de una bobina cuando la corriente se conecta o desconecta por primera vez, se denomina autoinducción. La corriente resultante estará en dirección opuesta a la corriente aplicada y tiende a reducir la fuerza magnética. La autoinducción se rige por la ley de Lenz, que establece: Una corriente inducida fluye en dirección opuesta al campo magnético que la produjo.
Fig. Se utiliza una inducción mutua para crear una corriente eléctrica
en la bobina 2 si el flujo de corriente en la bobina 1 es conmutado.
La autoinducción generalmente no se desea en los circuitos automotrices. Por ejemplo, cuando se abre un interruptor, la autoinducción tiende a continuar suministrando corriente en la misma dirección que la corriente original porque cuando el campo magnético colapsa, induce voltaje en el cable.
De acuerdo con la ley de Lenz, el voltaje inducido en un conductor tiende a oponerse a un cambio en el flujo de corriente. La autoinducción puede provocar que se produzca un arco eléctrico en un interruptor abierto. El arco puede saltar momentáneamente sobre el interruptor y permitir que el circuito que se apagó funcione durante un corto período de tiempo. El arco también quemará los contactos del interruptor.
La autoinducción produce comúnmente en componentes eléctricos que contienen una bobina o un motor eléctrico. Para ayudar a reducir el arco a través de los contactos, se puede conectar un condensador o un diodo de bloqueo o fijación al circuito. El capacitor absorberá los arcos de alto voltaje y evitará que se formen arcos entre los contactos. Los diodos son semiconductores que permiten el flujo de corriente en una sola dirección.
Se puede conectar un diodo de bloqueo en paralelo a la bobina y evitará así el flujo de corriente de la bobina de autoinducción al interruptor.
La inducción magnética es además la base de un generador y de muchos de los sensores de los vehículos actuales. En un generador, un campo magnético rota dentro de un conjunto de conductores. A medida que el campo magnético cruza los cables, se induce un voltaje. La cantidad de voltaje inducido por esta acción depende de la velocidad del campo giratorio, la fuerza del campo y la cantidad de conductores que cortan al campo.
Los sensores magnéticos se utilizan para medir velocidades, como las velocidades del motor, del vehículo y del cigüeñal. Estos sensores suelen utilizar un imán permanente. La velocidad de rotación está determinada por el paso de filos o dientes dentro y fuera del campo magnético. A medida que un diente entra y sale del campo magnético, la fuerza del campo magnético cambia y se induce una señal de voltaje. Esta señal se envía a un dispositivo de control, donde se interpreta.
GENERADORES
El generador es una máquina que aplica el principio de la inducción electromagnética para convertir la energía mecánica, suministrada por el motor, en energía eléctrica. El generador restaura a la batería la energía que se ha utilizado en el arranque del motor. Ya sea que la energía necesaria para el resto del sistema eléctrico sea suministrada directamente por el generador, por la batería, o por una combinación de ambos depende de las condiciones en las que el generador está funcionando.
Los dos tipos de generadores son los que siguen:
El generador de corriente continua suministra energía eléctrica directamente a la batería y sistema eléctrico o a través de diversos dispositivos de regulación.
El generador de corriente alterna (alternador) tiene la misma función que el generador de corriente continua, pero debido a que sólo corriente continua se puede utilizar para cargar una batería, un componente llamado rectificador, debe ser utilizado para convertir corriente de alterna en continua.
Generador de corriente continua (dc)
El generador de corriente continua o directa (fig. 2-12) consiste esencialmente en una armadura o inducido, un bastidor de campo, bobinas de campo, y un conmutador con las escobillas para establecer contacto eléctrico con el elemento giratorio. El campo magnético del generador por lo general se produce por los electroimanes o polos magnetizados por donde la corriente fluye a través de las bobinas de campo. Piezas polares de hierro blando (o zapatas polares) están contenidas en el bastidor del campo que forma el circuito magnético entre los polos. Aunque los generadores pueden ser diseñados para tener cualquier número par de polos, bastidores de dos y cuatro polos-son los más comunes. Las bobinas de campo están conectadas en serie. En el bastidor del tipo de dos polos, el circuito magnético fluye a través de sólo una parte del núcleo del inducido, por lo tanto el inducido debe ser construido de acuerdo con el número de polos del campo porque la corriente se genera cuando la bobina (bobinado sobre el inducido) se mueve a través de cada circuito magnético.
Figura 2-12 -. Vista en sección trasversal de un generador de corriente continua.
La corriente se obtiene de las bobinas de la armadura mediante escobillas (normalmente hechas de carbón) que hacen contacto frotando con un conmutador o colector. El colector consta de una serie de segmentos de cobre aislados (delgas) montado en un extremo de la armadura, cada segmento da conexión a uno o más bobinas de la armadura. Las bobinas de la armadura están conectados a los circuitos externos (batería, luces, o de encendido) a través del conmutador y las escobillas. La corriente inducida en las bobinas de la armadura por lo tanto es capaz de fluir a los circuitos externos.
Hay dos tipos de circuitos de campo, determinados por el punto en el que el circuito de campo está a masa, que son como sigue:
Un circuito, identificado como circuito "A", deriva la corriente de campo de las escobillas aisladas a través de la conexión a masa del devanado de campo externamente en el regulador.
En el otro, el circuito "B", la corriente de campo se deriva del devanado serie de inducido en el regulador a los devanados del campo del generador, conectando a masa internamente dentro del generador.
Los tres factores básicos de diseño que determinan la salida del generador son (1) la velocidad de rotación del inducido, (2) el número de conductores de la armadura, y (3) la intensidad del campo magnético. Cualquiera de estos factores de diseño podría ser utilizado para controlar la tensión del generador y la corriente. Sin embargo, el método más simple es determinar la intensidad del campo magnético y por lo tanto limitar la salida de voltaje y corriente del generador.
REGULACIÓN DE LA SALIDA DEL GENERADOR
Los campos del generador dependen de la corriente de la armadura del generador para la magnetización. Debido a que la corriente desarrollada por el generador aumenta en proporción directa a su velocidad, los campos se incrementan a medida que aumenta la velocidad y, en consecuencia, la armadura genera más corriente. Las variaciones extremas en la velocidad de un motor de automotor hacen que sea necesario regular la salida del generador para evitar una sobrecarga excesiva de corriente o voltaje. En la unidad de medida CESE, una corriente de carga de más de 12 a 15 amperios es perjudicial para una batería completamente cargada si continúa por mucho tiempo.
Los reguladores son de dos tipos, funcionando para regular tanto la tensión como la corriente. El regulador de voltaje regula la tensión (voltaje) en el sistema eléctrico y evita una tensión excesiva, lo que puede causar daños a las unidades eléctricas y que la batería se sobrecargue. El regulador de corriente es un limitador de corriente, el mismo impide que la salida del generador aumente más allá de la salida nominal del generador.
La regulación de tensión sólo puede ser satisfactoria desde el punto de vista de la batería, sin embargo, si la batería se descargara mal o si una carga eléctrica pesada fuera conectada, la elevada corriente podría sobrecargar al generador mismo para suministrar la demanda de corriente elevada. Por lo tanto, ambos controles de corriente y tensión se utilizan en un sistema de carga.
En la mayoría de las aplicaciones, un conjunto regulador consta de un relé de corte, un regulador de corriente, y el regulador de voltaje (fig. 2-13). Cada unidad contiene un núcleo separado, bobina, y conjunto de contactos. El conjunto de regulador proporciona un control completo del generador de tipo derivación bajo todas las condiciones. Tanto el regulador de corriente como el regulador de tensión puede estar operando en cualquier momento, pero en ningún caso ambos funcionan al mismo tiempo.
Cuando los requisitos de carga eléctrica son altos y la batería está baja, el regulador de corriente funciona para evitar que la salida del generador exceda su máximo valor seguro. En este caso, el voltaje no es suficiente para hacer que el regulador de voltaje funcione. Pero si los requisitos de carga se reducen o la batería empieza a subir la carga, el voltaje de línea aumentará a un valor suficiente para hacer que el regulador de voltaje funcione. Cuando esto ocurre, la salida del generador queda reducida, ya no es suficientemente alta como para provocar que el regulador de corriente funcione. Toda la regulación, es entonces dependiente del regulador de tensión. La figura 2-14 muestra un diagrama esquemático de cableado de un típico circuito de carga. En este circuito, dos resistencias están conectadas en paralelo en el circuito de campo del generador cuando el regulador de corriente indica abierto. Esto proporciona un valor bajo de resistencia, que es suficiente para evitar que la salida del generador exceda su máximo valor seguro. Cuando los puntos de contacto del regulador de tensión se abren, sólo una resistencia se inserta en el circuito de excitación del generador, y esto proporciona un mayor valor de resistencia. El regulador de tensión debe emplear una mayor resistencia debido a que debe reducir la salida del generador a medida que opera, y el mismo requiere más resistencia para reducir la salida que meramente para evitar que la salida vaya más allá del máximo valor seguro del generador.
Figura 2-13 -. Montaje del regulador con la tapa quitada.
Para algunas aplicaciones especiales, es posible encontrar un regulador combinado de corriente-tensión. En este caso, los reguladores se combinan en una sola unidad. El conjunto regulador consistirá de dos (regulador y circuito de corte) en lugar de tres unidades.
Los reguladores que se acaban de describir son conocidos como reguladores electromagnéticos de contacto vibratorio. Los puntos sobre las armaduras de los reguladores pueden abrirse y cerrarse tanto como 300 veces en un segundo para alcanzar la regulación deseada.
El regulador de tipo transistor está siendo utilizado en los equipos de último modelo. Este regulador no tiene partes móviles. Se compone de transistores, diodos, condensadores y resistencias. Algunos modelos tienen dos condensadores de filtro, mientras que otros sólo tienen uno.
Los ajustes se proporcionan en algunos tipos de reguladores y éstos deben hacerse sólo con el uso de las instrucciones del fabricante y el equipo de prueba recomendado. EL MÉTODO DE PRUEBA Y ERROR PARA LA REPARACIÓN NO FUNCIONARÁ.
MANTENIMIENTO DEL GENERADOR
Los requisitos de la salida de los generadores eléctricos de automóviles han aumentado considerablemente en los últimos años debido a la creciente popularidad de los accesorios eléctricos que consumen corriente , tales como radios de dos vías y radioteléfonos para comunicaciones, los calentadores de mucha carga, y acondicionadores de aire. Un generador de corriente continua convencional, construido para producir la cantidad necesaria de electricidad en ambos rangos de alta y baja velocidad requiere un aumento en el tamaño que limita la aplicación. Un generador de corriente alterna (alternador) ha sido desarrollado para que se pueda utilizar con un puente rectificador para producir corriente suficiente para satisfacer casi cualquier necesidad en un rango de velocidad que varía desde el motor inactivo a la máxima velocidad
El generador de corriente continua requiere una limpieza periódica, lubricación, inspección de las escobillas y del conmutador, y las pruebas de tensión de resortes de escobillas. Además, las conexiones eléctricas necesitan atención para asegurar un contacto metal a metal limpio y estanqueidad.
Algunos generadores tienen tapones bisagra engrasadores. Lubricar estos con unas gotas de aceite de peso medio en cada ciclo de mantenimiento. No lubricar en exceso, porque una cantidad excesiva de aceite se puede meter en el conmutador y evitar que las escobillas funcionen correctamente.
Inspeccione visual y manualmente el estado de todos los cables, pinzas, cableado y las conexiones de los terminales. Ver que la polea de transmisión del generador esté ajustada en el eje y que la correa esté en buen estado y bien regulada. Además, asegúrese de que el generador está montado de manera segura y tiene una buena conexión a masa.
Retire la banda de cobertura en generadores que la disponen, e inspeccione la existencia de diminutos glóbulos de soldadura en la superficie interior de la banda de cobertura del generador. Si se encuentra alguna de soldadura, el generador está produciendo un exceso de corriente y se ha derretido la soldadura utilizada en la conexión de los cables del inducido a las delgas del colector. Esta condición requiere la retirada del generador para reparar o reemplazar el inducido.
Si no se encuentra soldadura, inspeccione el colector, escobillas, y las conexiones eléctricas. Si el colector está sucio o ligeramente rugoso, con papel de lija 00 puede suavizarlo. NUNCA use papel de esmeril en el colector.
Una vez que el colector ha sido lijado, soplar aire comprimido a través del interior del generador para eliminar el exceso de suciedad y partículas de escobillas. Levantar las escobillas en el portaescobillas para ver que estas están libres de operar ( con libertad de movimiento ) y tener la tensión suficiente para evitar la formación de arcos y quema del conmutador y las escobillas. Si las escobillas están desgastadas a la mitad de su longitud original, cámbielas.
Figura 2-14. Diagrama de circuitos esquemático de una unidad de carga típica
La mayoría de los generadores de hoy en día no están equipados con bandas de cobertura. Estos pueden tener ranuras abiertas sobre el colector o ser sellados completamente. En aquellos con ranuras abiertas, el conmutador se puede lijar a través de las ranuras, pero la eliminación de las partículas sólo puede lograrse mediante la remoción de la estructura del colector. En las unidades selladas, el mantenimiento sólo se puede realizarse después del desmontaje.
REPARACIÓN DEL GENERADOR
Los generadores son desmontados sólo cuando grandes reparaciones se deben hacer en los mismos (fig. 2-15). Aparte de la limpieza de colectores desgastados y sustitución de escobillas durante el mantenimiento periódico, los generadores requieren muy pocas reparaciones durante la vida útil normal. Sin embargo, si se descuidan, los generadores de desarrollarán problemas que no pueden ser resueltos en campo.
Antes de extraer un generador sospechoso de ser defectuoso, usted debe comprobar la batería, como se explicó anteriormente, y la salida del generador. Consulte el manual del fabricante para ver las especificaciones correctas de salida del generador y los procedimientos apropiados de prueba. Si el generador está funcionando correctamente y la batería, el cableado y las conexiones están en condiciones de funcionamiento, el regulador de tensión puede estar defectuoso, y se aconseja que, en la mayoría de los casos sea eliminado y reemplazado. Sin embargo, si el generador no está produciendo los amperios especificados con la velocidad del motor especificado, entonces debe ser retirado del vehículo y reparado o sustituido.
Figura 2-15 -. Vista desmontada de un generador de dos escobillas.
Pruebas de bobinas de campo
Para probar el campo del generador, deben desconectarse los extremos a masa del bastidor. Colocar una punta del circuito de lámpara de prueba en un terminal extremo del campo de las bobinas y la otra punta en el extremo conectado a tierra. Si la lámpara se enciende, el circuito de campo se ha completado. Sin embargo, debido a la resistencia en el cable de la bobina de campo, la lámpara no debe brillar con brillo normal. Un brillo normal de la bombilla de prueba indica un posible cortocircuito entre las espiras del campo. Si la luz no se enciende, el campo está en circuito abierto.
Una bobina de campo conectada a masa se encuentra mediante la colocación de una punta de prueba en el terminal de campo y la otra en el bastidor del generador (Fig. 2-16). Si se enciende la lámpara de prueba, el campo está conectado a tierra. La puesta a masa puede ser causada por cables pelados en los extremos de la bobina.
Ver : Mantenimiento de Generadores de Corriente Continua
Figura 2-16 -. Prueba de puesta a tierra de bobinas de campo
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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL: Circuitos eléctricos y cableado del automóvil.
Introducción.
Circuito de de carga.
Construcción de la batería.
Caja de la batería, cobertura y tapas. Capacidad de la batería.
Carga de la batería.
Colocación de las baterías en servicio.
Mantenimiento de la batería. Limpieza de la batería y terminales.
Prueba de batería.
Ensayo de voltaje de celda. Generadores.
Regulación de la salida del generador.
Mantenimiento del generador.
Reparación del generador.
Prueba del inducido.
Alternadores.
Conjunto rectificador.
Control de salida del alternador.
Prueba de alternador. Prueba del sistema de carga.
Prueba de resistencia de circuito. Circuito de arranque.
Circuito de accionamiento del piñón.
Campo de bastidor. Interruptor de seguridad de neutro. Pruebas arranque de circuito del motor.
Circuito de encendido.
Bobina de encendido.
Distribuidor de encendido. Bujía.
Cables de bujía. Sistema de encendido electrónico.
Dispositivos de temporizado de encendido. Mantenimiento del sistema de encendido. Ensayo de resistencia de cable de bujía. Servicio de distribuidor de encendido electrónico. Servicio de iluminación. Interruptor de faros. Circuito dimmer. Interruptor luces de posición. Sistemas de señal de giro. Sistema de luces de emergencia. Instrumentos, indicadores y accesorios. Indicador de combustible. Indicador de temperatura. Velocímetros mecánicos y tacómetros. Cableado del limpiaparabrisas. Conjuntos de cableado. Terminales de cables. Soporte de cableado y protección.
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