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MANUAL DE VEHICULO DIESEL...

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE LA COSTA SUR DIVISIÓN DE DESARROLLO REGIONAL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS Técnico Superior Universitario en Electrónica y Mecánica Automotriz

“APUNTES DE ELECTRÓNICA AUTOMOTRIZ I”

Compilación de los textos:  Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. “Análisis Introductorio de Circuitos”. TRILLAS l.  Albert Paul Malvino. “Principios de electrónica”. Mc. GRAW HILL  Grob, Bernard. “Electrónica básica”. Mc. GRAW HILL

Por: M. I. E. Jorge Arturo Pelayo López

2011

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Electrónica Automotriz I

CONDUCTORES Y AISLADORES Son conductores los materiales que permiten un importante flujo de electrones mediante la aplicación de muy poca fuerza electromotriz. El material que se utiliza con mayor frecuencia es el cobre. Los materiales que tienen muy pocos electrones libres, alta estabilidad, gran densidad y baja movilidad se denominan aisladores, puesto que se requiere una fuerza electromotriz muy elevada para producir en ellos una corriente eléctrica importante. El uso más común de los aisladores es para recubrir conductores que, si no estuvieran aislados, podrían tener efectos peligrosos.

SEMICONDUCTORES Entre los elementos llamados aisladores y los conductores existe un grupo de materiales de gran importancia, que se conocen como semiconductores. Los transistores, los diodos, los SCR, etc., se construyen con materiales semiconductores. Para esos dispositivos, los materiales semiconductores utilizados con mayor frecuencia son el germanio y el silicio.

CORRIENTE ELECTRICA Recibe el nombre de corriente eléctrica el desplazamiento de electrones a través de un cuerpo conductor. Si partimos de la idea de que los cuerpos siempre tienden al equilibrio eléctrico uniendo dos materiales, uno con defecto de electrones (cargado positivamente) y otro con exceso de éstos (cargado negativamente) por medio de un conductor habrá un traslado de éstos electrones por medio del conductor hasta que los dos materiales tengan un equilibrio eléctrico (figura 1.14). Material A Atomos con muchos electrones

Material B Conducto

Atomos con pocos electrones

Sentido del movimiento de los electrones

Figura 1.14. El material A cederá electrones al material B, y éstos se trasladarán por medio del conductor.

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El movimiento de electrones de un material a otro se denomina, por tanto corriente eléctrica. Si el movimiento de electrones es mayor, habrá mayor corriente, y si es menor habrá menos corriente. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA (cd o cc) Es una corriente eléctrica que fluye en una dirección (figura 1.15). Para este curso emplearemos el término de corriente directa y su abreviatura (cd). I

t

Figura 1.15. Forma de onda de cd.

CORRIENTE ALTERNA (ca). Es una corriente eléctrica con cambios en su dirección en intervalos regulares de tiempo. En 60 ciclos de corriente alterna hay cambios en su dirección 120 veces cada segundo, siendo estos 60 positivos y 60 negativos alternadamente cada segundo (figura 1.16).

I

t

Figura 1.16. Forma de onda de ca. 2

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SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica, como ya hemos visto, es un movimiento de electrones a través de un conductor. Lo que vamos a ver ahora es en qué dirección se mueven los electrones y por qué. Los pioneros en el estudio de la electricidad pensaron que lo que se trasladaba no eran los electrones (cargas negativas), sino loa protones (cargas positivas), y, por tanto, creyeron que el sentido de la corriente era desde polo positivo a polo negativo ( figura 1.17). Protones Neutrones

Electrones Núcleo Átomo A

Átomo B

Figura 1.17. Según los primeros investigadores de la electricidad, el átomo A tiene una carga positiva y el átomo B, negativa; por tanto, el protón del átomo A formará finalmente parte del átomo B.

Las siguientes investigaciones llevadas a cabo sobre el tema consideraron que los electrones no son un elemento estático en el átomo, sino que giran alrededor del núcleo y, por tanto, son los que tienen la capacidad de trasladarse; de tal forma que entre dos átomos, uno con carga eléctrica positiva (defecto de electrones) y otro con carga eléctrica negativa (exceso de electrones en el último orbital), se produce entre ellos un intercambio de electrones desde el que posee carga negativa hacia el átomo con carga positiva, siempre que se aproximen lo suficiente (figura 1.18). Protón

Electrón

Orbitas

Núcleo Átomo cargado negativamente

Distancia Entre átomos

Átomo cargado positivamente

Figura 1.18. Las teorías modernas demuestran que los electrones se desplazan de negativo a positivo. 3

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Conclusiones: Existen dos sentidos diferentes de la corriente: 



Partiendo del polo positivo hacia el negativo, que es el sentido convencional de la corriente. En electricidad, para la solución de circuitos adoptaremos por éste sentido (figura 1.19(a)). Partiendo del polo negativo hacia el positivo, que es el sentido real de la corriente (figura 1.19 (b)).

Ambos sentidos se dan como válidos, aunque se debe saber que el real es el sentido electrónico (de polo negativo a polo positivo).

Figura 1.19. (a) Sentido convencional de la corriente.

Figura 1.19. (b) Sentido real o electrónico de la corriente.

FUERZA ELECTROMOTRIZ Se representa con el diminutivo f.e.m. Es la causa que origina que los electrones circulen por un circuito eléctrico. Como todas las magnitudes, tiene una unidad que la define: el voltio, que a su vez se representa por la letra V. 

Fuerza electromotriz .................................. f.e.m.



Voltio ......................................................... V 4

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DIFERENCIA DE POTENCIAL Se denomina habitualmente con su diminutivo ddp. A diferencia del potencial eléctrico, se le conoce también como tensión eléctrica o como voltaje. Las tres denominaciones son igualmente correctas. Si un cuerpo cargado se mueve en un sistema eléctrico de un punto a otro, los dos puntos los cuales localizan la posición de la partícula cargada antes y después de moverse se caracterizan por la diferencia de potencial (electrostático) entre ellos. Esta diferencia de potencial como ya dijimos se llama también voltaje, e indica cuanta energía puede ser adquirida o perdida (por unidad de carga) por una partícula cuando se ha movido dentro de un campo eléctrico (figura 1.22).

Figura 1.22. La energía de una carga positiva en el punto ( 1 ) es mayor que en el punto ( 2 ).

También podemos definir al voltaje de la siguiente forma: La diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor es el trabajo W necesario para desplazar la unidad de carga eléctrica de un punto al otro punto. La unidad de diferencia de potencial es el Voltio (V). Si para desplazar 1 Coulombio (C) de carga de un punto a otro de un conductor es necesario realizar un trabajo de 1 Julio (J), la diferencia de potencial entre ambos es de 1 Voltio (V). Tensión eléctrica, diferencia de potencial o voltaje es el desnivel eléctrico que existe entre dos puntos determinados de un circuito. Esta magnitud se representa con la letra V y tiene como unidad el voltio, que como ya dijimos se representa con la letra V. Así, por

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ejemplo, la tensión eléctrica de un enchufe de una vivienda suele ser igual a 125 V ó 220 V (figura 1.23).

V = 110 V

V = 220 V

Base enchufe

Base enchufe

Figura 1.23. En esta figura observamos que la tensión es el desnivel eléctrico entre los puntos del enchufe.

POTENCIA ELECTRICA Se define como la cantidad de trabajo desarrollado en una unidad de tiempo. En un circuito eléctrico la potencia viene relacionada con la tensión o la intensidad. La potencia se representa con la letra P y su unidad es el vatio (comúnmente watts), que se representa con la letra W. La ecuación que la relaciona es:

PVI

Ecuación 1.11

1 W = (1 V) (1 A)

P = potencia W = vatio V = voltio I = corriente A = amperio

Si se toma la ley de Ohm, y se sustituyen, términos, nos quedan otras dos ecuaciones que también son válidas:

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P

V2 R

P  I2R

Ecuación 1.12

Ecuación 1.13

La potencia suministrada por una fuente de energía está dada por:

P  EI

Ecuación 1.14

P = potencia E = fuerza electromotriz de la fuente I = corriente tomada de la fuente Ejemplo 1.2. ¿Cuál es la potencia que se disipa en un resistor de 5  si la corriente que pasa por ella es de 4 A? Solución: 1º.- Utilizaremos la ecuación 1.13. 2º.- Sustituimos los valores correspondientes en dicha ecuación, entonces tenemos: P  I 2 R  (4 2 A)(5 )  (16 A)(5 )  80 W

3º.- El resultado es: 80 W.

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CUADRO DE MAGNITUDES Y UNIDADES En la tabla 1.3 se relacionan las diferentes magnitudes eléctricas, con sus unidades y las ecuaciones de relación.

Tabla 1.3. MAGNITUDES Y UNIDADES

Fuerza electromotriz Diferencia de potencial o tensión eléctrica o voltaje Cantidad de electricidad Intensidad de corriente

Representación f.e.m. ddp ó V

Unidad Voltio Voltio

Representació n unidad V

Ecuación de relación

V V=RI

Q

Coulombio

C

I

Amperio

A

Densidad de corriente



Amperio

A

Resistencia de un material Resistencia de un conductor Conductancia

R

mm Ohmio

R

Omhio



G

Siemens

S

Capacitancia

C

Faradio

F

Inductancia Potencia eléctrica

L P

Henrio Vatio

H W

2

mm 2



1 coulombio = 6.2  1018 e-. Q V I , I t R

I A  R A V R I 1 G R Q C V 

P= V I, P 

V2 , R

P  I2R

Energía eléctrica Energía calorífica

E Q

Vatio  Segundo Caloría

Ws cal

EPt Q  0.24  E

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PRODUCCION DE CORRIENTE ALTERNA (ca) Y DIRECTA (cd) Solidarios y obligados por el eje de la turbina, los grupos eléctricos girarán, y de esta forma generarán la corriente eléctrica. Dichas máquinas serán capaces de generar corriente eléctrica a partir de un movimiento mecánico, el cual vendrá producido por el eje de la turbina. Existen en principio dos tipos de máquinas eléctricas, las cuales tendrán un nombre propio. Las que producen corriente alterna (ca) se denominarán alternadores, y las que producen corriente directa (cd) se llamarán dinamos. Los dos tipos de máquinas basan su funcionamiento exactamente en el mismo sistema, el cual consta de un rotor que es, en esencia, un gran electroimán de dos, cuatro, seis, etc., polos que giran en el seno de un conjunto de bobinados sobre sendos núcleos, que constituyen el estator. La diferencia entre la corriente que se extrae de un dinamo o de un alternador viene determinada por el tipo de contacto de las escobillas, bien sea en anillo para un alternador o de colector para un dinamo. CORRIENTE (Estator) Inducido

Imán

Escobillas

Anillos

Circuito exterior

R

Figura 1.27. (a) Principio de un alterador. Cada extremo de la espira se encuentra siempre en contacto eléctrico con una escobilla; por tanto, la corriente es alterna.

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CORRIENTE ALTERNA. Una corriente alterna cambia su valor de corriente cada semiperiodo, ya que unas veces es positiva y otras negativa, dependiendo en qué momento se mida. En la práctica se hace que gire el imán en vez de la espira y para ello, normalmente, se dispone con un electroimán de varios pares de polos (figuras 1.27(a) y (b) y figura 1.28).

t

I

Figura 1.27. (b) La gráfica determina los valores de tensión alterna que existen entre una escobilla y otra dependiendo del tiempo.

S N

N

S

S

N

N S

Figura 1.28. Alternador con el sistema real de rotación.

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CORRIENTE DIRECTA O RECTIFICADA Para obtener una corriente directa debemos tener en cuenta la forma de realizar el contacto de las escobillas con los extremos de la espira. En el momento en que la corriente es cero en los extremos del conductor, ambas escobillas tendrán un valor de tensión cero. Como variará el sentido de giro, el valor de tensión de cada escobilla cambiará cuando cambie de delga. Pero hay que tener en cuenta que una de las dos escobillas siempre tendrá un valor de tensión más positivo que la otra, a excepción del momento en que las dos valen cero (figura 1.29(a)). CORRIENTE DIRECTA (Estator) Inducido

Imán

Delga Colector

Circulo Exterior

R

Figura 1.29. (a) Se muestra un dinamo básica, donde las escobillas, dependiendo de la posición en que se encuentre la espira, realizarán contacto con

Así, la corriente obtenida será siempre del mismo sentido, ya que una escobilla siempre tendrá un valor de tensión más positivo que el otro. La corriente saldrá siempre por la misma escobilla y regresará por la otra. Como a pesar de ser directa o continua, ésta tendrá una variación en el tiempo, para que la corriente sea verdaderamente directa se necesitan muchas espiras, todas colocadas en diferentes ángulos, con sus dos extremos cada una y, por tanto, las delgas que sean precisas (dos por arrollamiento) en el colector (figura 1.29 (b)). I

t

I

t

Figura 1.29. (b) Valores de la ddp entre las dos escobillas en función del tiempo. 11

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RESISTENCIA

1.4.1. INTRODUCCIÓN La resistencia es la tendencia de un material de impedir el flujo de la corriente a través de él. La resistencia eléctrica determina la intensidad de la corriente producida por una diferencia de potencial dada. La unidad de resistencia, en el sistema SI es el Ohmio (y representa la resistencia de un conductor en el que, con una diferencia de potencial aplicada de 1 V, circula una corriente de 1 A de intensidad. El símbolo en un circuito para la resistencia aparece en la figura 1.30, con la abreviatura gráfica para la resistencia (R). R Figura 1.30. Símbolo y notación para la resistencia.

La resistencia de cualquier material con un área uniforme de su corte transversal se determina por los cuatro factores siguientes (representados en la figura 1.31 para un trozo de alambre): 1. Tipo de material. 2. Longitud. 3. Area de la sección transversal. 4. Temperatura.



A

Material T 0C Figura 1.31. Trozo de alambre con una área “A” y de longitud “ ”.

Para dos alambres del mismo tamaño físico y a la misma temperatura, como se muestra en la figura 1.32(a), la resistencia relativa se determina sólo por medio del tipo de material. Como se indica en la figura 1.32 (b), un aumento en la longitud dará como resultado un incremento de la resistencia para áreas similares, el mismo material y la misma temperatura. El aumento del área, como en la figura 1.32(c), cuando las variables 12

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determinantes restantes permanezcan iguales, dará como resultado una disminución de la resistencia. Finalmente, el aumento de la temperatura como se ve en la figura 1.32(d) para alambres metálicos de construcción idéntica y el mismo material, dará como resultado una mayor resistencia.

T = temperatura A = área

 = longitud  = tipo de material R = resistencia

R1

Cobre

R2

Hierro

R1

R2

T1 = T2 A1 = A2 1= 2  2 > 1

Cobre

Cobre

R1

Cobre

R2

Cobre

T1 = T2

R1

Cobre

R2

Cobre

T1 = T2 A1 = A2 1=2 2> 1

 1 = 2 1=  2 A2 > A1

A1 = A2 T1 > T2

 1 = 2 1= 2

entonces:

entonces:

entonces:

entonces:

R2 > R1

R2 > R1

R1 > R2

R1 > R2

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 1.32. Comparación de la resistencia de dos trozos de alambre con algunas características similares y algunas diferentes que nos conducen a determinar la diferencia de resistencia entre ambos trozos.

La exposición anterior revela que la resistencia es directamente proporcional a la longitud y el material empleado e inversamente proporcional al área. En forma de ecuación la resistencia de un conductor se expresa mediante la ecuación siguiente (ecuación 1.4 que se vio en la sección 1.2.7):

R

 A

R  Resistencia del material (  ) .

  Resistividad (  mm2/m)   Longitud (m) A  Área de la sección (mm2)

Resistividad (  ): La resistividad es la propiedad de un material que indica qué tanto impide el flujo de corriente. 13

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En la siguiente tabla se dan algunos valores típicos de  . Tabla de la resistividad de diferentes materiales. MATERIAL

 en   mm2/m

Cobre

0.017

Plata

0.015

Aluminio

0.027

Estaño

0.130

Mercurio

0.940

USOS COMUNES DE LAS RESISTENCIAS EN LOS CIRCUITOS 1. Limitar la corriente que fluye en una rama de un circuito. En estas aplicaciones pueden actuar para proteger otros elementos en la rama tales como dispositivos semiconductores o los movimientos de medidores muy sensibles. 2. Como divisores de voltaje de tal forma que únicamente un voltaje deseado aparezca a través de una sección de un circuito. 3. Como elementos eléctricos de calefacción y en las lámparas incandescentes. 4. Como elementos que sirven como caminos de baja resistencia (como en las resistencias en derivación o shunts). 5. Amortiguador (reducir) oscilaciones indeseadas. En estas aplicaciones disipan la energía de las oscilaciones. Las resistencias se construyen con materiales que conducen la electricidad pero que poseen una gran resistencia comparada con la de los alambres y contactos. Las resistencias no sólo limitan la corriente sino que también extraen energía de la rama del circuito donde se colocan.

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RESISTENCIA DE LOS ALAMBRES Y TERMINALES En la mayoría de las mediciones y en los procesos de diseño, la resistencia de los alambres de conexión de los diferentes elementos de un circuito se desprecia comparada con la resistencia de los elementos del circuito. RESISTEN...