Conceptos eléctricos

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Conceptos eléctricos

  1. 1. Electricidad
  2. 2. Electricidad Indice Temas Página Efectos de la electricidad 3 Diferencia de Potencial / Voltaje 4 Estructura Atómica 5 Movimiento de Electrones 6 Conductores y Electrones Libres 8 Flujo de Iones y Electrones 9 Rev:0 2 Mundo Mecánica Automotriz Mundo Mecánica Automotriz. Todos los derechos reservados.
  3. 3. Electricidad Corriente / Resistencia 10 Generación de Electricidad 11 Carga Eléctrica / Condensador 12 Elemento Galvánico 14 Magnetismo 15 Magnetismo y Electricidad 16 Corriente Alterna / Corriente Directa 18 Electro Magnetismo y Transformadores 19 Fuerza Electromotriz 21 Motor Eléctrico 22 Actuadores 23 Modulación de Pulsos 24 Sensores 25 Señal Digital / Análoga 26 Conexiones en Serie / Paralelo / Combinada 27 Diagrama Eléctrico 28 Medición de Voltaje, Resistencia, Corriente 31 Ley de Ohm / Ley de Kirchhoff 32 Potencia y Trabajo Eléctrico 33 Reparación del Arnés del Cableado 34 Rev:0 3 Mundo Mecánica Automotriz
  4. 4. Electricidad Efectos de la Electricidad Todos nosotros tenemos a diario experiencias con los efectos de la electricidad, por ejemplo, cuando encendemos la luz al entrar en un cuarto oscuro. Junto con la producción de luz la electricidad puede producir diferentes efectos. Pueden ser efectos químicos, térmicos, generación de campos magnéticos, ejerce influencia sobre los organismos vivos, etc. Si la corriente fluye, por ejemplo, a través de un cuerpo humano, esto puede causar daño severo y hasta conducir a la muerte. El impacto real depende del voltaje, la corriente y el tiempo en que el cuerpo este expuesto a la electricidad. Todos nosotros conocemos muy bien los efectos de la electricidad, pero, ¿qué es la electricidad?. Antes que todo es la diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos. Rev:0 4 Mundo Mecánica Automotriz
  5. 5. Electricidad Diferencia de Potencial / Voltaje Si entre dos puntos (polos) existe una diferencia en la carga eléctrica, los electrones se mueven desde un polo al otro hasta que la carga está nuevamente igualada. La diferencia en la carga eléctrica (potencial) se llama voltaje. El voltaje o diferencia en potencial, solo puede existir al menos entre dos polos. El polo con falta de electrones se llama el polo “+” (positivo), y el polo con exceso de electrones se llama el polo “-” (negativo). A mayor diferencia de carga eléctrica mayor flujo de electrones. Pero, por supuesto los electrones solo pueden fluir si ambos polos con diferente potencial están conectados mediante un cable. Si no existe una conexión entre los polos con diferente carga, la diferencia de carga se mantendrá, de manera que los electrones no podrán fluir de un polo al otro. El voltaje puede compararse con la diferencia de nivel del agua entre dos depósitos, si estos no están conectados (abiertos), permanecerán con diferencia en el nivel del agua. Tan pronto como haya una conexión entre ellos, por ejemplo con un conducto abierto, el agua fluirá de un depósito al otro hasta que los niveles se igualen. El agua fluye con más fuerza si la diferencia entre los niveles aumenta. Al igual que en el circuito con agua, el flujo de electrones aumenta si se incrementa el voltaje. Rev:0 5 Mundo Mecánica Automotriz
  6. 6. Electricidad Estructura Atómica Cualquier sustancia esta compuesta de átomos: si pudiéramos dividir una sustancia en partículas cada vez más diminutas, entonces llegaremos a un punto en que no es posible dividirla más sin cambiar la sustancia en si. Las partículas más diminutas de una sustancia se llaman moléculas. Como se muestra en la figura, si nosotros continuamos dividiendo las moléculas aún más, entonces llegaremos a los átomos. Hay diferentes átomos disponibles; se conocen más de cien tipos individuales de átomos. La materia puede estar compuesta por una combinación de diferentes átomos, en este caso, como ya hemos mencionado, la partícula mas pequeña se llama molécula. Esta puede estar constituida de un solo tipo de átomo, entonces se llama elemento. Pero hasta el átomo puede dividirse en diferentes partes. Para entender la naturaleza de la electricidad es necesario entender la estructura de un átomo. Este esta formado por un núcleo (protones y neutrones) y electrones. Los protones están cargados positivamente, mientras que los electrones están cargados negativamente. Como su nombre lo indica, los neutrones son neutros en términos de carga eléctrica. De acuerdo con el modelo del átomo de Bohr, los protones y neutrones están concentrados en el núcleo y los electrones en orbitas alrededor del núcleo. Esto puede compararse con el sistema planetario, donde los planetas orbitan alrededor del sol. Rev:0 6 Mundo Mecánica Automotriz
  7. 7. Electricidad Movimiento de Electrones La cantidad de protones, neutrones y electrones depende de cada átomo en particular, pero los principios son los mismos para todos. Veamos un átomo de oxigeno: este esta compuesto por 8 neutrones, 8 protones y 8 electrones. Por cada protón existe un electrón, mientras que el número de neutrones puede diferir del número de protones, dependiendo del tipo de átomo. Existen fuerzas entre protones y electrones. Los protones y electrones se atraen unos con otros, mientras que las partículas con la misma carga eléctrica se repelen. A pesar del hecho que los protones y los electrones se atraen unos a otros los electrones no “caen” en el núcleo debido a su movimiento alrededor de este. Esto nuevamente puede compararse con los planetas: ellos no “caen” al sol debido a la fuerza centrífuga que los mantiene en sus orbitas. De manera similar a los planetas, los electrones no viajan alrededor del núcleo usando la misma orbita, si no que en orbitas diferentes para cada uno. Las diferentes orbitas de un átomo se distinguen por letras desde la K a la Q, donde la K es la orbita más interior y la Q es la mas externa. El nivel de energía depende de la orbita. La orbita K tiene un nivel de energía menor, mientras que la Q tiene el mayor valor. Como un átomo tiene la misma cantidad de electrones y protones, este es neutro con respecto a su carga eléctrica. Dependiendo del átomo es más o menos difícil remover o agregar un electrón en él y naturalmente esto se hace más fácil en la orbita más externa. Un átomo al que se le ha removido un electrón se carga positivamente y si se agrega un electrón llega a estar negativamente cargado. Estos átomos se llaman iones negativos o positivos. Es posible añadir o remover más de un electrón; en este caso podemos decir que esta doble o múltiplemente, negativamente o positivamente cargado. Rev:0 7 Mundo Mecánica Automotriz
  8. 8. Electricidad Movimiento de Electrones Junto con los electrones que están fijos al núcleo y sus propias orbitas, hay algunos electrones existentes que pueden abandonar su orbita y moverse libremente entre los átomos sin una trayectoria fija. La cantidad de electrones libres de un material depende del material en si mismo, por ejemplo, en los metales existe una cantidad relativamente alta de electrones libres mientras que en los materiales de goma existe una cantidad pequeña. Esto se debe a la estructura atómica de cada material. La estructura de un metal por ejemplo, es aquella donde existen una gran cantidad de electrones libres. Rev:0 8 Mundo Mecánica Automotriz
  9. 9. Electricidad Conductores y Electrones Libres Una sustancia con muchos electrones libres es un conductor y una sustancia con unos pocos electrones libres es un aislante. Pero aún en el caso de un conductor, donde existe una gran cantidad de electrones libres, no hay electricidad sin una fuerza externa, de modo que los electrones se mueven sin una dirección especifica y el conductor es eléctricamente neutro. Si se aplica una fuerza externa los electrones comienzan a moverse en una dirección específica debido a que se produce una diferencia de potencial. La sustancia con una pequeña cantidad de electrones libres pone una alta resistencia al flujo de electrones; estos materiales se llaman no conductores o también llamados aislantes. Rev:0 9 Mundo Mecánica Automotriz
  10. 10. Electricidad Flujo de Iones y Electrones Las cargas eléctricas pueden viajar aun a través del vació. A diferencia del flujo de electrones dentro de una sustancia sólida, el transporte de electricidad dentro de líquidos o gases no se hace mediante el movimiento de electrones, si no por el movimiento de iones. Rev:0 10 Mundo Mecánica Automotriz
  11. 11. Electricidad Corriente / Resistencia Otra analogía con el agua es el hecho que la cantidad de flujo del líquido no solo depende de la diferencia de nivel, si no también de la medida del conducto de conexión así como el largo de este. En el caso de la electricidad esto equivale a un mayor flujo de electrones si el conductor tiene un mayor diámetro. Si el conductor entre el polo positivo y negativo es mas corto, mayor cantidad de electrones pueden fluir entre los polos. La cantidad de electrones que se mueven se llama corriente y la restricción al flujo de electrones se llama resistencia. La resistencia no sólo depende de la medida del conductor sino que también del material y la temperatura. Rev:0 11 Mundo Mecánica Automotriz
  12. 12. Electricidad Generación de Electricidad Ahora que conocemos la naturaleza y la transferencia de la electricidad, veamos como se puede crear una diferencia eléctrica (diferencia de potencial). Existen varias formas: mediante el uso de magnetismo, reacción química, calor, luz, presión o fricción. Por supuesto que no todos los métodos pueden usarse con cualquier material o conductor para crear electricidad. Por ejemplo, para crear una diferencia de potencial con presión, se necesita un piezo elemento. Para producir electricidad con una reacción química, se necesita un elemento galvánico. Rev:0 12 Mundo Mecánica Automotriz
  13. 13. Electricidad Carga Eléctrica / Condensador Como ya hemos aprendido, la corriente puede fluir sólo si los polos negativos y positivos están unidos por un conector. Como una excepción, la corriente (continua) puede fluir también por un cierto tiempo si se instala un condensador en el circuito. En principio un condensador esta compuesto por dos placas individuales que están aisladas una de la otra por un aislante. Si no se suministra voltaje al condensador (condición descargada), las placas están eléctricamente neutras y en cada placa esta disponible la misma cantidad de electrones. Si se aplica voltaje al condensador (una placa esta conectada al polo positivo, la otra al polo negativo), el polo positivo también extrae electrones desde la placa en la que esta conectado. Por otro lado el polo negativo también suministra la misma cantidad de electrones a la placa a la que esta conectado. Este proceso continua hasta que el voltaje en el condensador es el mismo que el de la fuente. En esta condición no hay corriente fluyendo (para Corriente Continua), el efecto del condensador cargado es similar al de un aislador. Si ahora se desconecta el voltaje de la fuente y el condensador se conecta a un resistor (consumo), la carga entre las placas debe igualarse, por lo que fluye tanta corriente como sea la diferencia de carga. Un condensador es un dispositivo de almacenamiento de electricidad, su capacidad se llama capacitancia. El diseño de diferentes condensadores puede diferir uno de otro, pero el principio de operación es el mismo. Un tipo común es el condensador de papel, donde dos hojas delgadas de estaño están separadas por una cinta de papel. El papel de estaño y las hojas están enrolladas juntas e instalados dentro de un contenedor. Otros tipos son el condensador de tipo electrolítico o el condensador de cerámica, pero recuerde que la función general es siempre la misma. Es importante saber que en el caso de los condensadores electrolíticos debe observarse la polaridad correcta, de otra manera el condensador podría destruirse. Rev:0 13 Mundo Mecánica Automotriz
  14. 14. Electricidad El condensador permite separar las cargas eléctricas. Un condensador esta compuesto por un conductor conectado al polo positivo, otro conductor conectado al polo negativo y un aislador que los separa. Si se suministra corriente a los conductores, ellos acumularan una carga eléctrica en sus superficies. La cantidad de carga depende del tamaño de los conductores, el material y la distancia de separación del material (llamado dieléctrico). Ya que la separación de cargas hace posible que fluya la corriente, un condensador es un componente electrónico pasivo que almacena energía en la forma de un campo electrostático. En su forma mas simple, un condensador esta compuesto por dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado el dieléctrico. La capacitancia es directamente proporcional al área de la superficie de las placas e inversamente proporcional a la separación de las placas. La capacitancia también depende de la constante dieléctrica del material que separa las placas. La unidad normal de capacitancia es el faradio: F Microfaradio: µF (1 µF = 10-6 F) nanofaradio: nF (1 nF = 10-9 F) picofaradio: pF (1 pF = 10-12 F) Rev:0 14 Mundo Mecánica Automotriz
  15. 15. Electricidad Elemento Galvánico La conducción de electricidad se produce entre dos conductores si ellos se unen a través de un contacto metálico. La magnitud del potencial depende de la posición de los elementos involucrados en la serie potencial de electrodos. Note que este flujo de corriente es en un material en movimiento por el cual se remueve material de un elemento y se transfiere al otro. También fluirá la corriente entre dos conductores de diferente material si ellos están sumergidos en un elemento denominado electrolito. Los electrolitos son sustancias cuya solución o mezcla conducen la corriente (sales, ácidos, bases). La conducción electrolítica involucra descomposición de los electrodos. Esta descomposición se llama electrólisis y los electrodos son llamados ánodos (polo positivo) y cátodos (polo negativo). Cuando se disuelve el electrolito, este es disuelto en varios iones, los que se mueven libremente. Cuando se aplica voltaje, los iones positivos emigran hacia el cátodo y los iones negativos hacia el ánodo. Los iones son neutralizados en los electrodos y precipitan la solución. Si dos metales diferentes están sumergidos en un electrolito, se crea lo que se llama elemento galvánico. Entre los dos electrodos se crea un voltaje directo. Este principio se usa dentro de las celdas galvánicas. Las celdas galvánicas convierten la energía química en electricidad. Ellas constan de dos materiales diferentes en uno o dos electrolitos. El voltaje de una celda galvanica depende del material utilizado. Por ejemplo, la batería para el arranque es un elemento galvánico. Rev:0 15 Mundo Mecánica Automotriz
  16. 16. Electricidad Magnetismo Otro tema relacionado con la electricidad e importante de entender es el magnetismo o fuerza magnética. El magnetismo es una fuerza que actúa a una cierta distancia y es causada por un campo magnético. Esta fuerza atrae fuertemente materiales ferromagnéticos tales como el hierro, níquel y cobalto. En los imanes, la fuerza magnética atrae fuertemente el polo opuesto de otro imán y repele el polo similar. Cada imán esta rodeado por un campo magnético que es más potente en los extremos del imán. Cada imán siempre tiene dos polos que son llamados polo norte y polo sur. Algunos materiales se pueden magnetizar, por ejemplo, al moverlos a lo largo de un imán en la misma dirección varias veces. Con esta acción la fuerza magnética existente dentro del material es canalizada de manera que el material se vuelve magnético. Los materiales que mantienen su magnetismo son llamados imanes permanentes. Téngase presente que el calor puede destruir un imán permanente, de manera que este pierde su fuerza magnética. Rev:0 16 Mundo Mecánica Automotriz
  17. 17. Electricidad Magnetismo y Electricidad Ley de inducción: los cambios en el flujo magnético inducirán un voltaje en un conductor (generalmente una bobina), si esta es expuesta al flujo magnético. Esto también es valido para el campo electromagnético si cambia el suministro de voltaje. Si se mueve un conductor dentro de un campo magnético de manera que corte las líneas de flujo magnético, se induce un voltaje en este. El voltaje inducido existe sólo mientras se cortan las líneas de flujo magnéticas. Si la dirección de movimiento dentro del flujo magnético cambia, la dirección de la corriente también cambia. Debido al cambio en la dirección de la corriente, la corriente creada por este se llama corriente alterna. Lo mismo es valido si el campo magnético no proviene de un imán permanente, sino que es creado por un electro imán. En lugar de mover el electro imán hacia delante y atrás, también es posible conmutarlo entre OFF y ON, cambiando el flujo magnético, y creando de esa manera un voltaje. Básicamente cualquier conductor por el cual fluye corriente y que este rodeado por un campo magnético es un electro imán. Este campo puede aumentar si un cable es adoptado como una bobina, lo que aumenta aún más si se pone un núcleo de hierro a esta bobina. La ubicación del polo norte y del polo sur depende de la dirección de la corriente. De manera similar a un imán ordinario, el campo magnético es más fuerte en los extremos del núcleo de hierro de la bobina. Rev:0 17 Mundo Mecánica Automotriz
  18. 18. Electricidad Nota: cuando se activa el flujo de corriente a través de una bobina, este flujo de corriente es retardado por lo que se conoce como auto inducción. La corriente que fluye crea un campo magnético en la bobina. El campo magnético entonces induce un voltaje en la bobina que tiene dirección opuesta al suministro de corriente, la que entonces es retardada. Un efecto similar ocurre si el suministro de energía se interrumpe. El cambio en el campo magnético causado por esto induce un voltaje en la bobina opuesta a la previamente excitada. El valor del voltaje depende de la velocidad de desactivación y es normalmente mucho más alto que el voltaje originalmente suministrado. Este voltaje se conoce como voltaje de estabilización. Rev:0 18 Mundo Mecánica Automotriz
  19. 19. Electricidad Corriente Alterna / Corriente Continua Existen básicamente dos tipos diferentes de corriente: la corriente directa DC, que es constante en la dirección de su flujo, y la corriente alterna AC que cambia de dirección frecuentemente. En un vehículo la aplicación de corriente alterna esta bastante limitada, básicamente esta se produce en el alternador por el uso de la inducción, pero inmediatamente se rectifica y cambia a corriente directa en su interior. La corriente suministrada a los consumos es corriente directa. La llamada corriente mixta es una corriente directa que cambia a corriente alterna. Rev:0 19 Mundo Mecánica Automotriz
  20. 20. Electricidad Electro Magnetismo y Transformadores El movimiento de cargas eléctricas genera un campo magnético. Por lo tanto: los conductores por los que fluye la corriente están rodeados por un campo magnético. Dos conductores paralelos a través de los cuales fluye corriente en la misma dirección se atraen el uno al otro, si la corriente fluye en la dirección opuesta, ellos se repelen. Básicamente, cualquier conductor a través del cual esta fluyendo corriente esta rodeado por un campo magnético. Este campo puede aumentar si el cable es adaptado como una bobina y aumenta más si se pone un núcleo de hierro a esa bobina. Este diseño se llama electro imán. La ubicación del polo norte y polo sur en un electro imán depende de la dirección de la corriente. De manera similar a un imán ordinario, la fuerza del campo magnético es mayor en los extremos del núcleo de hierro de la bobina. Como hemos aprendido: al mover un imán o un campo magnético dentro de una bobina se produce electricidad. Este efecto también actúa en forma inversa: si hay corriente circulando por una bobina, se crea un campo magnético. Mediante la combinación de estos dos principios se puede construir un transformador. Un transformador es un dispositivo que transfiere energía de un circuito a otro usando la inducción electromagnética. El transformador normalmente convierte la energía eléctrica desde un cierto valor de voltaje a otro voltaje diferente mediante un embobinado con diferente número de vueltas. Un transformador simple consiste en dos conductores eléctricos llamados embobinado primario y secundario. Si se aplica un voltaje al embobinado primario, la corriente fluirá en él, produciendo un flujo magnético. Este flujo magnético alcanza la bobina secundaria donde se induce voltaje. Mediante un acoplamiento perfecto de flujo, este flujo en el embobinado secundario será igual al del embobinado primario, por lo que en un transformador ideal, la relación entre el voltaje primario y secundario es igual a la relación del número de vueltas de sus embobinados, o alternativamente, el voltaje por vuelta es el mismo que en ambos embobinados. Rev:0 20 Mundo Mecánica Automotriz
  21. 21. Electricidad Sin considerar las pérdidas, para un nivel dado de transferencia de potencia a través de un transformador, la corriente en el circuito secundario es inversamente proporcional a la relación entre el voltaje secundario y el voltaje primario. Por ejemplo, supongamos que se aplican 50 watts de energía a la carga resistiva desde un transformador con una relación de vueltas de 25:2. P = E · I (potencia = fuerza electromotriz · corriente) 50 W = 2 V · 25 A en el circuito primario Ahora con el cambio del transformador: 50 W = 25 V · 2 A en el circuito secundario. Por esta razón en un transformador, el embobinado de alto voltaje tiene más vueltas con menor sección que el embobinado de bajo voltaje. Como una fuente DC no puede producir una variación de tiempo-flujo en el núcleo, no se genera una fuerza electromotriz inversa y así el flujo de corriente en el transformador es ilimitado. En la práctica, la resistencia en serie del embobinado limita la cantidad de corriente que puede fluir, hasta que el transformador alcanza el equilibrio térmico o se destruye. Un uso práctico del transformador de voltaje en diferentes niveles es, por ejemplo, producir alta tensión dentro de una bobina de encendido. Rev:0 21 Mundo Mecánica Automotriz
  22. 22. Electricidad Fuerza Electromotriz En un campo magnético se ejerce una fuerza en un conductor que transporta corriente. La dirección de esta fuerza se puede determinar por la regla de la mano derecha: cuando el pulgar apunta en la dirección del flujo de corriente y el dedo índice en la dirección del campo magnético, el dedo medio indica la dirección de la fuerza. Esto significa que un conductor en un campo magnético se moverá en una dirección, la que depende de la polaridad del campo magnético y la dirección de la corriente que fluye por el conductor. El cable en el ejemplo se moverá hacia delante y atrás, debido al hecho de que la corriente suministrada es corriente alterna. Si el campo magnético y los conductores (incluida la dirección de la corriente) están dispuestos de forma específica, se obtendrá un movimiento de giro constante. Rev:0 22 Mundo Mecánica Automotriz
  23. 23. Electricidad Motor Eléctrico Como se menciono: un uso práctico de la relación entre el magnetismo y la electricidad es el motor eléctrico. Como se ha estudiado, si un conductor a través del cual fluye corriente, es ubicado en un campo magnético, el conductor se moverá tendiendo a dejar el campo magnético. La dirección del movimiento depende de la dirección del flujo de corriente a través del conductor. Si el perfil del conductor tiene la forma de U (o circulo) el conductor empezará a girar, debido que la dirección del flujo en la parte superior y la parte inferior es opuesta. Si se ponen varios embobinados en un campo magnético el efecto será el mismo, pero la fuerza del giro aumentará. Este es el principio de un motor eléctrico. Un motor eléctrico se usa para mover o accionar algún elemento, por lo que se clasifica como un actuador. En el automóvil se utilizan muchos actuadores de diferentes tipos. Rev:0 23 Mundo Mecánica Automotriz
  24. 24. Electricidad Actuadores La diapositiva muestra la variedad de actuadores y el principio eléctrico usado para su funcionamiento. Si usted entiende el principio de operación de los ejemplos, estará capacitado para entender el funcionamiento de cualquier actuador y obtener más detalles a partir del principio de funcionamiento. El entendimiento del principio de funcionamiento facilita el seguimiento de fallas. Los actuadores se usan para convertir las señales de salida en diferentes niveles físicos o para amplificar la señal de salida al nivel requerido. Aquí también se usa una gama completa de efectos, tales como, magnetismo: motores; generación de calor: calefactores adicionales, etc. La primera figura muestra una bobina que se usa para cambiar el voltaje en un nivel requerido. En el ejemplo se muestra una bobina de encendido que suministra un voltaje muy alto con el propósito de encender el combustible generando una chispa en la bujía. La siguiente imagen muestra un relé, este es un dispositivo que es activado o desactivado por una pequeña corriente y puede controlar un flujo de alto voltaje a través de sus contactos. Cuando el interruptor se cierra, la corriente que fluye a través de la bobina produce un campo magnético, que atrae los contactos, de manera que el circuito a través de ellos se cierra. Si se abre el interruptor el campo magnético desaparece y los contactos se separan, por lo que el circuito que lo atraviesa se abre. El siguiente dispositivo es una resistencia variable, su función es la siguiente: la resistencia variable esta ubicada en la línea de suministro de un dispositivo, por ejemplo, la ampolleta que se muestra en el circuito del relé de la izquierda. Si la aguja se mueve hacia la posición izquierda la resistencia es baja, de manera que puede fluir un alto voltaje: la ampolleta brilla más. Si este se mueve hacia la derecha la resistencia es alta, la corriente baja y el brillo de la ampolleta se reduce. Esto también se puede usar para controlar otros dispositivos, por ejemplo para controlar el motor eléctrico que se muestra abajo a la izquierda. Al lado derecho se puede ver un motor paso a paso, que actúa como actuador, este se puede controlar en pasos específicos, por ejemplo para mover un vástago en una cantidad específica. Cada vez que las otras bobinas son energizadas por el voltaje, el motor se mueve adelante o atrás una posición, dependiendo de la polaridad de la energía suministrada. Rev:0 24 Mundo Mecánica Automotriz
  25. 25. Electricidad Modulación de Pulso Otra posibilidad de regular el voltaje en lugar de usar un receptor es aplicar la modulación de amplitud de pulso. En la modulación de pulsos la corriente se conmuta entre ON y OFF con cierta frecuencia. El Principio: para controlar la velocidad de un motor de corriente directa se necesita una fuente de poder DC de voltaje variable. Sin embargo si se tiene un motor de 12 volt y se le aplica energía, el motor comenzara a acelerar; los motores no responden inmediatamente si no que toman un corto tiempo para alcanzar la velocidad máxima. Si se corta la energía algún tiempo antes de que el motor alcance su velocidad máxima, entonces el motor comenzará a detenerse. Si se conmuta la energía de ON a OFF en forma suficientemente rápida, entonces el motor funcionará a con velocidad entre 0 y velocidad máxima. Esto es exactamente lo que hace un controlador PWM: enciende el motor mediante una serie de pulsos. Para controlar la velocidad del motor este varia (modula) la amplitud de los pulsos, de aquí viene la Modulación de Amplitud de Pulsos. Si por ejemplo, la energía suministrada es de 9V y el ciclo de relación de trabajo es 10%, resulta una señal análoga de 0.9V. En el siguiente ejemplo una batería de 9V energiza una ampolleta incandescente. Si se cierra el interruptor que conecta la batería y la ampolleta por 50ms, la ampolleta recibirá 9V durante ese intervalo. Si se abre el interruptor por los siguientes 50ms, la ampolleta recibirá 0V. Si se repite este ciclo 10 veces por segundo, la ampolleta estará encendida como si estuviera conectada a una batería de 4.5V (50% de 9V). Se dice que el ciclo de relación del trabajo es 50% y que la frecuencia modulada es 10Hz. Nótese que el tiempo completo del pulso es constante y solo la relación entre ON y OFF cambia. Rev:0 25 Mundo Mecánica Automotriz
  26. 26. Electricidad Sensores Para conseguir información acerca de la condición de funcionamiento del motor se utilizan sensores. Las señales eléctricas no se usan sólo para los actuadores, si no también para los sensores. Los sensores usan los efectos de la electricidad para convertir la condición de funcionamiento del motor y los sistemas relacionados en señales eléctricas. De manera similar se usan las diferentes propiedades eléctricas para los distintos tipos de actuadores, lo mismo es aplicable para los sensores. Dependiendo del valor actual para medir, se aplican los diferentes efectos y propiedades de la electricidad. Por ejemplo, la inducción puede usarse para detectar la velocidad del motor con el sensor de ángulo del cigüeñal. El cambio en la resistencia se usa para detectar temperaturas, etc. La figura inferior izquierda muestra lo que se llama un relé de láminas, si la corriente fluye a través del cable se crea un campo magnético. Este campo magnético hace que los contactos se atraigan unos a otros, de forma que se cierra el circuito. Si la corriente se detiene, el campo magnético desaparece y los contactos se abren nuevamente por la fuerza de los resortes. Este relé de láminas puede también ser conmutado ON y OFF por un imán permanente ubicado cerca de los contactos. Este tipo de ejemplo se usa para revisar niveles de líquidos. En la esquina inferior derecha un resistor variable se utiliza para detectar la posición de un elemento que gira, como por ejemplo la válvula de estrangulación. Rev:0 26 Mundo Mecánica Automotriz
  27. 27. Electricidad Señal Digital / Análoga Las señales desde los sensores así como las señales que conducen a los actuadores pueden ser análogas o digitales. Demos una mirada a la diferencia entre estos dos tipos. Análogo quiere decir continuo, sin pasos. Una señal análoga es una señal continua y tiene una infinita cantidad de valores individuales, de modo que para cada punto en el tiempo existe un valor específico. La señal del sensor de rueda en la figura es una señal análoga. Existen dos desventajas para las señales análogas: la unidad de control no puede usar señales análogas directamente, de manera que estas deben ser convertidas en señales digitales por un conversor análogo digital. Pero la desventaja más severa es el hecho de que la señal análoga puede variar, por ejemplo, debido a ruido eléctrico o interrupción del cable, por lo que puede fácilmente ser mal interpretada. La razón de esto es que la unidad de control no puede reconocer si el cambio en el valor de la señal es intencional o no. Diferente a esto es la señal digital, donde los valores existen solo por momentos específicos. Frecuentemente la señal digital tiene solo dos valores diferentes, por ejemplo, ON u OFF, 12V o 0V. Por lo tanto una señal digital puede ser restaurada fácilmente, aunque halla sido influenciada por un ruido, etc. Esto es posible porque la unidad de control no establece ninguna señal bajo cierto voltaje, como por ejemplo 0V, o superior a 12V. Y por supuesto una señal digital puede ser usada directamente por la ECU, de manera que no es necesario un conversor análogo digital. Debido a esto actualmente la tecnología digital se usa donde sea posible. La curva inferior muestra la señal del sensor de velocidad de la rueda la que es cambiada a señal digital por un conversor análogo digital. Como una desventaja puede establecerse que cuando ocurre un problema entre dos pasos digitales, no puede ser reconocido completamente. Rev:0 27 Mundo Mecánica Automotriz
  28. 28. Electricidad Conexión en Serie / Paralelo / Combinada Como ya es sabido en el vehículo hay instalados varios dispositivos eléctricos tales como diferentes sensores y actuadores. La conexión entre las diferentes partes de un circuito puede hacerse en serie o en paralelo. Por supuesto es posible una combinación de esos dos métodos. Conexión en serie quiere decir que todas las partes están ubicadas entre el polo positivo y negativo de la fuente. Todos los electrones deben atravesar todos los componentes cuando viajan desde el polo positivo al negativo. La desconexión de un elemento llevará a la detención del flujo de electrones. Esto significa que la corriente que circula es la misma para todos los elementos. La figura muestra algunos ejemplos de circuitos reales usados en un vehículo. Muy comúnmente la totalidad de los circuitos son circuitos combinados, pero para revisar el circuito este puede verse en secciones separadas para un seguimiento de fallas más fácil. Rev:0 28 Mundo Mecánica Automotriz
  29. 29. Electricidad Diagrama Eléctrico Como es imposible ver el total del sistema eléctrico, cuando esta instalado en el automóvil, es necesario hacer un plano de ese diagrama eléctrico con el propósito de entender la relación de las partes individualmente, su conexión y operación. Este plano transforma la situación en un formato que se puede entender y ver los sistemas eléctricos de un vehículo. Este plano se llama diagrama eléctrico. Como se usan símbolos para representar los componentes reales individualmente, es necesario saber interpretar un diagrama eléctrico. Sin este conocimiento no es posible hacer un correcto seguimiento de fallas. Demos una mira a los símbolos usados en el diagrama. Rev:0 29 Mundo Mecánica Automotriz
  30. 30. Electricidad Esta es una copia del Manual de Servicio para informarse acerca de la forma de cómo usar el diagrama eléctrico. Rev:0 30 Mundo Mecánica Automotriz
  31. 31. Electricidad Esta es una copia del Manual de Servicio para informarse acerca de la forma de cómo usar el diagrama eléctrico, especialmente acerca de la numeración de terminales de los diferentes tipos de conectores. Rev:0 31 Mundo Mecánica Automotriz
  32. 32. Electricidad Medición de Voltaje, Resistencia, Corriente Con el propósito de revisar la medición de los dispositivos y circuitos de la manera apropiada se necesita un instrumento de medición. El voltaje se mide con un voltímetro, la resistencia se mide con un ohmiómetro y la corriente se mide con un amperímetro. Actualmente estas tres funciones están normalmente incluidas en un solo instrumento llamado multímetro (multitester). El multímetro existe en versión análoga o digital. Los instrumentos análogos ya no son recomendados en la actualidad debido a su baja resistencia interna. El uso actual de estos instrumentos se describe en la sección de herramientas y equipos. Generalmente el voltaje y la resistencia se miden en conexión paralela. Nótese que para medir resistencia debe desconectarse la fuente de voltaje. La corriente se puede medir en conexión en serie o con una pinza especial puesta alrededor del cable energizado (amperímetro del tipo abrazadera). Además debe asegurarse de seleccionar la escala correcta del dispositivo a medir. Un hecho muy importante que debe conocerse y entenderse es que cada resistencia en un circuito en serie provoca caída de voltaje. La cantidad de caída de voltaje depende de la proporción que tiene cada resistencia individual. Si hay disponible sólo una resistencia, la caída total de voltaje se produce a través de esta. Para entender de mejor forma esto, demos una mirada a la Ley de Ohm. Rev:0 32 Mundo Mecánica Automotriz
  33. 33. Electricidad Ley de Ohm / Ley de Kirchhoff La relación entre voltaje, corriente y resistencia se describe claramente en la Ley de Ohm: la cantidad de corriente que fluye en un circuito es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. El cambio de uno de estos factores tiene influencia directa en los otros factores. La Ley de Ohm también puede expresarse como una ecuación: por ejemplo E= I x R donde E es el voltaje, I es la corriente y R es la resistencia. Para facilitar la memorización se puede usar el triangulo que se muestra en la imagen, esta es una buena herramienta para el cálculo del voltaje, corriente y resistencia en un circuito. Con simplemente cubrir la parte desconocida en el triangulo, se puede ver como calcularla mediante los dos factores conocidos. El cálculo de un cierto valor en el circuito puede requerirse por ejemplo para determinar la capacidad necesaria de un fusible, la medida de los cable de conexión o simplemente para conseguir una buena base para determinar si un circuito o dispositivo esta en orden o no. Las leyes de Kirchhoff también es una buena ayuda para entender los circuitos eléctricos. La primera ley establece lo siguiente: la corriente que fluye a cada unión en un circuito es igual a la corriente que fluye desde ese punto. La segunda ley establece que: la suma algebraica de la caída del voltaje en cualquier senda del circuito es igual a la suma algebraica de la fuerza electromotriz en esa senda. Rev:0 33 Mundo Mecánica Automotriz
  34. 34. Electricidad Energía y Trabajo Eléctrico La potencia de un dispositivo esta determinada por la corriente consumida por éste y el voltaje con que es suministrado. Por lo que la Potencia es Corriente x Voltaje, como puede leerse en la matriz. Es fácil de entender que un calentador por el cual pasan 10A produce mas calor que uno por el cual sólo pasan 5A. La matriz de cálculo es muy útil para los cálculos relacionados con la electricidad y los circuitos eléctricos. Cada cuarto del círculo esta relacionada con una de las mayores características de un circuito eléctrico. En la parte interior se puede seleccionar la figura que se desea calcular y en la circunferencia se puede encontrar la manera de calcularlo. Desde las posibilidades dadas se puede escoger la que incluya los factores que realmente se conocen. Trabajo es el producto de potencia multiplicado por el tiempo en que la potencia fue efectiva. Rev:0 34 Mundo Mecánica Automotriz
  35. 35. Electricidad Reparación de Arnés de Cables Si el problema es directamente con un dispositivo, la contramedida es simplemente reemplazarlo. En el caso de problemas en un arnés de cables roto, generalmente es posible y recomendable la reparación de éste. Nótese que esto no esta permitido para todos los sistemas, por ejemplo esta prohibido para el arnés de cables de sistemas SRS, por lo tanto es necesario referirse al Manual de Servicio antes de ejecutar una reparación. Es importante usar las herramientas apropiadas, partes (por ejemplo conectores a prueba de agua) y métodos de reparación. Rev:0 35 Mundo Mecánica Automotriz LIN Fits in at the low end 104.521Increme ntal cost per node 125K1M2M20K25.6MCAN-C event triggered dual wire CAN-B event triggered fault tolerant LIN master- slave single wire bus

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