Técnicas del AUTOMOVIL

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3 A l1s!1-t J.M. Alonso Técnicas del AUTOMOVIL EQUIPO ELECTRICO ESCUELA p(n..itecñica l~' DEL EJERCITÓ BlBUO'fECA 'ESlE-L LATACUNGA No.. O.I..q.~.Fechá:.. ~.9.l Preoio:... Dooación:.... SEPTIMA EDICION 1998

4 o~ Editorial Paraninfo ~CJ ITP An Intemational Thoms~n Publis~g company 2 Magallanes, 25; Madrid ESPANA ~ Teléfono: Fax: ~ (itesparaninfo.pedidos@mad.servicom.es) A.; JOSÉ MANUEL ALONSO PÉREZ Para más información: ltpilatln AMERICA Séneca, 53 Colonia Polaneo México D.F. México Te1: Fax: Puerto Rico/CaribbeanNenezuela Michael Rabell, Senior Sales Rep. 268 Muiioz Rivera Ave, Suite 510, 5th Floor Hato Rey, PR Tel: Fax: América del Sur TellFax(562) Ldevore@ibm.net Santiago CHILE TellFax (541) sdeluque@ba.net Buenos Aires, ARGENTINA INTERNATIONAL THOMSON PUBUSHING One Main Street, 6th Floor. Cambridge, MA Tel: Fax: Diseño de cubierta: Artica Reservados los derechos para todos los países de lengua española. De conformidad con lo dispuesto en el artículo 270 del Código Penal vigente, podrán ser castigados con penas de multa y privación de libertad quienes reprodujeren o plagiaren, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica fijada en cualquier tipo de soporte sin la preceptiva autorización. Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede ser reproducida, almacenada o transmitida de ninguna forma, ni por ningún medio, sea éste electrónico, químico, mecánico, electro-óptico, grabación, fotocopia o cualquier otro, sin la previa autorización escrita por parte de la Editorial. Impreso en España Printed in Spain ISBN: Depósito Legal: M Gráficas ROGAR, Polígono Industrial Alparrache - Navalcamero (Madrid) (091/58141)

5 Prólogo El equipo eléctrico de un automóvil moderno incluye un considerable número de componentes, que hacen más cómoda y confortable la conducción del vehículo, facilitando al mismo tiempo al conductor un mayor control de los mecanismos. Para comprender fácilmente el funcionamiento de los diferentes aparatos eléctricos, es esencial el conocimiento de la teoría elemental de la electricidad. Igualmente, dada la tendencia actual de aplicación de componentes electrónicos en algunos circuitos eléctricos del automóvil, es conveniente el conocimiento de los principios básicos de electrónica. El presente libro se ha escrito pensando en los técnicos y alumnos de las Escuelas Profesionales, redactándolo de la forma más sencilla posible y empleando un gran número de dibujos ilustrativos, de manera que se encuentre amena su lectura y se comprendan sin gran esfuerzo los conceptos básicos y pruebas a realizar para la localización de una avería. En el comienzo de cada capítulo se estudian los conceptos fundamentales y principios básicos, imprescindibles para comprender después el funcionamiento de los diversos componentes del equipo eléctrico de un automóvil. Posteriormente se tratan todos y cada uno de estos componentes, detallando fundamentalmente su funcionamiento y composición, la verificación de los mismos y su comprobación de funcionamiento, incluyéndose al final de cada capítulo un cuadro sinóptico de localización de a verías.. ~ Durante la preparación de esta obra, he recibido ayuda por parte de muchas personas de la industria automovilística y profesores dedicados a la enseñanza de esta materia en Escuelas Profesionales, a los cuales deseo agradecer su colaboración. Del mismo modo, quiero testimoniar mi reconocimiento por la información técnica y asistencia de todo tipo que me prestaron las empresas Bosch, Femsa, Fiat, Ford, Nissan, Renault y Talbot. Si el lector encuentra útil e informativo este libro, me consideraré plenamente satisfecho. J. M. Alonso 5

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7 Indice de materias PROLOGO CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES Equipo eléctrico del automóvil Cuerpos conductores y aislantes Circuito eléctrico Intensidad de corriente Tensión Resistencia Ley de Ohm Agrupaciones serie Agrupaciones paralelo Agrupaciones serie-paralelo Caída de tensión Aparatos eléctricos de medida Resistencias y reóstatos Trabajo eléctrico Potencia eléctrica Rendimiento Ley de Joule Aplicaciones del efecto Joule BATERIA DE ACUMULADORES. ESTRUCTURA Y CARACTERISTICAS Batería de acumuladores Disoluciones y electrólitos La electrólisis Acumuladores de plomo Componentes de un acumulador de plomo Carga y descarga de una batería Características eléctricas de las baterías Mantenimiento de acumuladores Cargadores de baterías Carga de baterías en el cargador Cargas rápidas y de formación Recomendaciones para la carga de acumuladores Descarga espontánea y sobrecarga de un acumulador... 60

8 INDICE DE MATERIAS Medida de la densidad del electrólito Medida de la tensión de una batería Instalación de acumuladores nuevos Evolución de las baterías de arranque Verificación y control de las baterías Averías en los acumuladores CIRCUITO DE ARRANQUE. MOTOR DE ARRANQUE Circuito de arranque Función del motor de arranque Principio de funcionamiento del motor de arranque Componentes del.motor de arranque Funcionamiento del motor de arranque Fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) en los motores de arranque Sistemas de mando del motor de arranque Motor de arranque con accionamiento por relé Sistema reductor Características de los motores de arranque Motor de arranque coaxial Motores de arranque con inducido deslizante Tensión nominal y potencia de los motores de arranque Istalación, utilización y mantenimiento de los motores de arranque Verificación del circuito de arranque Verificación y control del inducido Verificación y control del estator Prueba del conjunto tapa de escobillas Verificación de la carcasa-soporte delantera y sus componentes Verificación y control del relé de arranque Prueba de funcionamiento del motor de arranque Prueba del motor de arranque sobre banco CIRCUITO DE CARGA. DINAMO 4.1. Circuito de carga Inducción electromagnética P nnclpio.. d e f' uncionamlento. d e 1 a d' mamo...,j Componentes de la dinamo.': Clases de dinamos según su excitación.i-;' 4.6. Fuerza electromotriz inducida en las dinamos v Par resistente Línea neutra y línea de polos Reacción del inducido Desgaste del colector Bobinado del inducido Verificación y control de la dinamo.1< Verificación y control del inducido Verificación y control de las inductoras Prueba del conjunto tapa de escobillas y tapa trasera Prueba de la dinamo en el banco Mantenimiento periódico de la dinamo l

9 INDICE DE MATERIAS 5. CIRCUITO DE CARGA. DISYUNTOR-REGULADOR Necesidad de la regulación en las dinamos Disyuntor Reguladores de tensión Regulador de tensión e intensidad Comprobación y reglaje del regulador Verificación y control del regulador Verificación y control del circuito de carga CIRCUITO DE CARGA. ALTERNADOR Alternador Principio de funcionamiento del alternador Grupo rectificador Funcionamiento del puente rectificador Circuito de excitación Estructura y componentes del alternador Curvas características del alternador Balance energético del alternador Ejecuciones de alternadores: tipos Instalación y mantenimiento del alternador Comprobación de funcionamiento del alternador Verificación y control del alternador Prueba del alternador en el banco CIRCUITO DE CARGA. REGULADORES PARA ALTERNADOR Necesidad de la regulación Reguladores de contactos Regulador de contactos de dos elementos Reguladores para alternador de nueve diodos Aplicación de la electrónica a los reguladores Reguladores con ayuda electrónica Reguladores electrónicos totalmente transistorizados Regulador electrónico incorporado al alternador Verificación y control del regulador Verificación del circuito de carga CIRCUITO DE ENCENDIDO. COMPONENTES. FUNCIONAMIENTO El sistema de encendido en los motores de explosión El motor de explosión Principio de funcionamiento del encendido Funcionamiento del sistema de encendido Bobina de encendido Conjunto distribuidor Ruptor... le' Condensador de encendido... ~..'... : Distribuidor de encendido Bujías

10 INDICE DE MATERIAS Grado térmico de las bujías Punto de encendido Combustión de la mezcla Dispositivos de avance al encendido Sistema de avance centrífugo Sistema de avance por vacío Influencias climáticas en el circuito de encendido Interruptor de encendido CIRCUITO DE ENCENDIDO. MANTENIMIENTO, VERIFICACION y CONTROL Mantenimiento de la instalación de encendido Comprobación de funcionamiento del circuito de encendido Puesta a punto del encendido Verificación y control del circuito de encendido Analizadores de motores Osciloscopios Prueba de la bobina de encendido Prueba del distribuidor Prueba de las bujías ENCENDIDO ELECTRONICO Ayuda electrónica para el encendido Encendido electrónico con generador de impulsos Sistema electrónico de encendido por impulsos de inducción loa. Sistema electrónico de encendido con generador Hall Encendido electrónico integral Encendido electrónico por descarga de condensador Comparación de los sistemas de encendido Verificación y control de los encendidos electrónicos CIRCUITO DE ALUMBRADO Necesidad del sistema de alumbrado Fotometría y unidades de medida Faros Alumbrado de haz asimétrico Lámpara de halógeno Disposición de los faros Luces de posición Instalación de alumbrado Luces de stop y marcha atrás Faros adicionales Alumbrado del interior del vehículo Efectos de la variación de tensión en el circuito de alumbrado Ayuda electrónica para el circuito de alumbrado Regulación de los faros Verificación y control del circuito de alumbrado

11 INDICE DE MATERIAS 12. CIRCUITO DE MANIOBRAS. INTERMITENCIAS Y CLAXON Circuito de intermitencias Disposición del circuito de intermitencias Central electrónica de intermitencias Dispositivo intermitente de emergencia El claxon Disposición de las bocinas Verificación y control del circuito de intermitencias y el claxon CIRCUITO DE ACCESORIOS. LIMPIAPARABRISAS Y CALEFACTOR Limpiaparabrisas Dispositivos de parada automática Limpiaparabrisas de dos velocidades Dispositivo intermitente para limpiaparabrisas Lavaparabrisas Limpia-lava lunetas y limpia-lava proyectores Sistema calefactor del vehículo Motoventi1ador del calefactor Regulación electrónica de la calefacción Verificación y control de los sistemas limpiaparabrisas y calefactores CIRCUITO DE ACCESORIOS: CUADRO DE INSTRUMENTOS. INDICA- DORES Indicadores de control Indicador de nivel de combustible Otros indicadores de nivel Indicadores de presión y temperatura del aceite motor Indicador de la temperatura del agua Otros avisadores luminosos y acústicos VeloCÍmetro y cuentarrevoluciones Conjunto del cuadro de instrumentos El ordenador de viaje Verificación y control del cuadro de instrumentos CIRCUITO DE ACCESORIOS: OTROS MECANISMOS ELECTRICOS Cerraduras electromagnéticas de las puertas Sistema eléctrico de e1eva1unas Bomba eléctrica de gasolina Motoventi1ador de refrigeración Encendedor de cigarrillos y reloj horario Sistema de alarma para el cinturón de seguridad Sistema de alarma de seguridad Bujías de caldeo para motores diese Embrague electromagnético Freno electromagnético Dispositivos electrónicos de ayuda a la conducción Inyección electrónica de combustible El autorradio Desparasitaje

12 INDICE DE MATERIAS 16. DISPOSICION DE LA INSTALACION ELECTRICA. CABLEADO Cableados eléctricos Central de conexiones y caja de fusibles Esquemas eléctricos Conductores eléctricos Fusibles y limitado res de intensidad

13 1 Circuitos eléctricos. Magnitudes fundamentales 1.1. EQUIPO ELECTRICO DEL AUTOMOVIL La aplicación de la electricidad al automóvil es tal, que en la actualidad, los vehículos están provistos de un gran número de aparatos cuyo funcionamiento se produce gracias a la transformación de la energía eléctrica en otra clase de energía (mecánica, calorífica, química, etc.), empleándose componentes de los más variados tipos, que realizan las funciones más diversas, en beneficio de una mayor seguridad en los vehículos y mejor confort de los pasajeros. Comenzando por los más esenciales, como la batería, el motor de arranque, el generador, etc., hasta finalizar por los más sofisticados, como los elevalunas eléctricos, interruptores de inercia y seguridad, programadores de velocidad, etc., los componentes eléctricos de un automóvil aumentan de día en día, haciendo cada vez más compleja su instalación eléctrica. El conjunto de todos los mecanismos que funcionan utilizando la energía eléctrica, forman el llamado equipo eléctrico del automóvil, que para su estudio vamos a dividir en partes que denominaremos circuitos. Una división de las muchas que podrían hacerse establece los siguientes circuitos: arranque, carga, encendido, alumbrado, maniobras y accesorios. Cada uno de estos circuitos tiene una misión concreta a realizar y para ello dispone de un determinado número de aparatos, situados en los más diversos lugares del vehículo y a los que es preciso hacer llegar la energía eléctrica, para lo cual, se interconectan por medio de una instalación eléctrica, en la que los órganos de mando van situados en su mayor parte en el habitáculo y al alcance del conductor para su gobierno. El circuito de arranque comprende todos los mecanismos que harán ponerse en marcha el motor del coche. El de carga tiene la misión de proporcionar la energía eléctrica suficiente para abastecer a todos los demás circuitos. El de encendido sirve para que se realice la explosión de la mezcla de aire y gasolina en el motor y pueda funcionar por sí solo. El de alumbrado se utiliza para iluminar la calzada por la que circula el vehículo de noche y señalizarlo en ella. El de maniobras gobierna los sistemas de señalización que utiliza el vehículo en la marcha. El de accesorios comprende los distintos aparatos que hacen más cómoda la conducción del vehículo. La Fig. 1.1 muestra la implantación en el vehículo de los distintos componentes del equipo eléctrico del automóvil, interconexionados entre sí por medio de la instalación eléctrica, que fijada a la carrocería, se extiende por todo el vehículo. Quedan así formados diferentes circuitos 13

14 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES eléctricos, cuyo funcionamiento se rige por leyes eléctricas fundamentales cuyo estudio vamos a abordar someramente a continuación. Fig CUERPOS CONDUCTORES Y AISLANTES Como ya es sabido, todos los cuerpos que se encuentran en la Naturaleza están formados por una cantidad determinada de minúsculas partículas unidas entre sí, cada una de las cuales está compuesta por varias moléculas, que a su vez están constituidas por varios átomos. El átomo es la porción más pequeña de materia y está formado, a su vez, por una parte central llamada núcleo, alrededor del cual giran en continuo movimiento y con distintas órbitas una serie de electrones, cada uno de los cuales está cargado de electricidad. Si mediante la aplicación de una fuerza eléctrica se consigue desplazar algunos electrones de sus órbitas, se habrá producido una corriente eléctrica, que es, por tanto, el movimiento de electrones en un determinado sentido. Ciertos átomos de algunos cuerpos permiten fácilmente el desplazamiento de los electrones de sus órbitas o el movimiento de electrones entre sus átomos. Estos cuerpos se llaman conductores. En cambio, otros no permiten ese desplazamiento y por ello son llamados aislantes. En general, son cuerpos conductores todos los metales y de entre ellos destacan por su buena conductividad la plata, el cobre y el aluminio. La conductividad de un material guarda una estrecha relación con las características de sus átomos, siendo decisivas tanto la estructura del átomo individual, como la acción combinada de todos ellos para modificar dicha conductividad. Los cuerpos cuyos átomos no tienen completa de electrones su capa exterior, son por 10 general buenos conductores, como es el caso de los metales, aunque en la unión de varios átomos puede quedar modificada esta propiedad. Entre los conductores metálicos y los aislantes se encuentran los semiconductores, llamados así porque son peores conductores que los metales, pero mejores en general que los aislantes. Las especiales características de conducción de los semiconductores serán descritas en posteriores capítulos CIRCUITO ELECTRICO Se llama circuito eléctrico, al conjunto de elementos necesarios para que se establezca una corriente eléctrica. Un circuito eléctrico tiene mucha similitud con uno de agua. Veamos un ejemplo: 14

15 CIRCUITO ELECTRICO Supongamos dos recipientes con agua (Fig. 1.2) unidos por sus partes inferiores y que se encuentran a distinto nivel, tal como se ve en la figura. Entre ellos hay una diferencia de nivel y gracias a ella, cuando se abre la llave de paso, el agua pasa del depósito 1 al 2, hasta que los niveles de ambos sean iguales, es decir, hasta que no exista diferencia de nivel. Esto mismo ocurre en un circuito eléctrico (Fig. 1.3), en el cual, se dispone de un generador, en el que existe una diferencia de potencial eléctrico entre sus bornes (d.d.p.) y que está unido a un receptor (en este caso una lámpara) mediante hilos conductores. Al cerrar el interruptor, se establece una corriente eléctrica en el circuito. Los electrones, empujados por la fuerza eléctrica del generador, transmitirán este empuje de unos a otros a través de todo el circuito, moviéndose por él. Depósito 1 Depósito 2 Corri en te + Batería -Fig. 1.2 Fig.1.3 Existen pues, en todo circuito eléctrico, un generador, un receptor, un interruptor, un camino de ida y otro de vuelta. Al cerrar el interruptor, la corriente eléctrica recorre todo el circuito, hasta que la diferencia de potencial entre los bornes del generador sea cero. En el momento en que se abra el interruptor, el circuito queda cortado, pues los electrones no pueden saltar por el aire, que es aislante. En los circuitos eléctricos suele disponerse, además, unfusible, que es un hilo de plomo de un grosor calibrado, de tal manera, que al pasar una cantidad excesiva de electrones se calienta y quema, quedando interrumpido el circuito. Se coloca el fusible generalmente en el camino de ida. En los automóviles, el circuito eléctrico no es exactamente el explicado; aquí el camino de vuelta es la parte metálica del coche, llamada masa. Con esta disposición queda el circuito como muestra la Fig. 1.4, con la ventaja de ahorrar el cable que constituye el camino de vuelta. Cuando en un circuito eléctrico se realiza un contacto indebido de un conductor de ida con otro de vuelta, se dice que se ha producido un cortocircuito, siendo sus efectos muy perjudiciales, como ya se verá. En la Fig. 1.5 se representa gráficamente un cortocircuito. Los electrones, en este caso, son desviados en el punto A desde un borne del generador al otro (circuito más corto) sin pasar por la lámpara. Interruptor R G Batería Chasis + A Fig. 1.4 Fig

16 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES Es fácil suponer que en un circuito eléctrico, para que se establezca la corriente eléctrica, SOl). necesarios tanto el camino de ida como el de vuelta, pues no basta con empujar a los electrones para que éstos se muevan. En el ejemplo de la Fig. 1.6, aunque los electrones son empujados por el generador, permanecen inamovibles, pues ningún electrón pasa a la órbita de otro, si éste previamente no la ha abandonado y, en este caso, el último electrón de A no podría abandonar su órbita, pues tendría que salir del conductor, cosa que no puede hacer simplemente por el hecho de estar sometido a la fuerza eléctrica. o + G A Fig. 1.6 La existencia de corriente eléctrica en un circuito se conoce por los efectos que produce. La energía eléctrica es transportada por medio de los hilos conductores a través de todo el circuito, para ser transformada en el receptor en otra clase de energía, como puede ser calorífica, luminosa, mecánica de movimiento, química, etc. Llegados a este punto, es preciso reseñar que se define por corriente eléctrica al movimiento ordenado de electrones a través de un circuito. Para que se establezca esta corriente eléctrica es necesaria una fuerza que empuje a los electrones y que el cuerpo al que se aplica la fuerza permita el desplazamiento de ellos, es decir, que sea conductor. Cuando la fuerza eléctrica está aplicada de una manera constante y siempre en el mismo sentido, la corriente obtenida se llama continua, pues los electrones circulan ininterrumpidamente y de manera continua por el conductor. Cuando la fuerza eléctrica cambia constantemente de sentido de aplicación, el efecto obtenido es una corriente alterna. Los electrones son empujados ahora unas veces en un sentido y otras en el contrario INTENSIDAD DE CORRIENTE En un circuito eléctrico puede haber mucha o poca corriente eléctrica, según que pasen por él muchos o pocos electrones por segundo. Se llama intensidad a la cantidad de corriente eléctric~ que circula por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es el amperio. La intensidad de la corriente eléctrica corresponde en el circuito hidráulico de la Fig. 1.2, a la cantidad de agua que pasa de un depósito a otro en un tiempo unidad, es decir, el caudal. La unidad de medida de intensidad de corriente se eligió, tomando como referencia los efectos químicos que produce una corriente cuando atraviesa una disolución de nitrato de plata (Fig. 1.7), en cuyo caso, algunas partículas del metal dejan el líquido para depositarse 16

17 TENSION en la placa negativa, como si la corriente arrastrase el metal que hay en la disolución. El peso de plata depositado en cada segundo, es proporcional a la intensidad de la corriente. Fig Un amperio, es la corriente continua que al pasar por una disolución de nitrato de plata deposita 0, gramos de plata en cada segundo. Como submúltiplos se emplean el miliamperio (1 ma = 0,001 A) yel microamperio (1 ta = 10-6 A). El aparato capaz de medir la intensidad de una corriente eléctrica se llama amperímetro y se conecta en el circuito en serie, es decir, de manera que la corriente eléctrica pase en su totalidad por él. El galvanómetro es un amperímetro muy sensible. Tomando como referencia un punto cualquiera de un circuito eléctrico, la cantidad de carga eléctrica que pasa por ese punto es Q = l t siendo 1 la intensidad de corriente eléctrica y t el tiempo en segundos. Así pues, al producto l t se le denomina cantidad de electricidad y se mide en culombios. Cuando la intensidad es de un amperio, la cantidad de electricidad que pasa por el conductor en la unidad de tiempo es de un culombio y esto supone que han pasado por el conductor electrones en cada segundo. De aquí deducimos que la corriente de un amperio hace pasar por un conductor un culombio en un segundo. Q 1= - t El amperio-hora es un múltiplo del culombio y representa la cantidad de electricidad que pasa por un conductor, recorrido por la corriente de un amperio, durante el tiempo de una hora. Un amperio-hora equivale a culombios TENSION Hemos visto que, para hacer circular a los electrones a través de un circuito, es necesaria una fuerza eléctrica (fuerza electromotriz) que los empuje. A esta fuerza se la llama tensión o diferencia de potencial y, también, en el lenguaje de taller, voltaje. En la Fig. 1.2 se vio que el agua pasa del depósito 1 al 2 debido a la diferencia de nivel entre ambos. Si se quiere obtener una circulación constante del agua, es necesario mantener la diferencia de nivel entre los depósitos, lo cual puede conseguirse bombeando el agua que llega al depósito 2, para hacerla regresar por otro camino (de vuelta) al depósito 1. La bomba, en este caso, realiza un trabajo manteniendo la diferencia de nivel. 17

18 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES De manera semejante, en el circuito eléctrico de la Fig. 1.3, es necesario mantener la diferencia de potencial aplicada al circuito (por medio del generador), para conseguir que siga circulando la corriente eléctrica, pues en el momento que no exista d.d.p., cesa la corriente. El trabajo necesario para mantener la d.d.p., lo realiza el generador, que produce una fuerza electromotriz, gracias a la cual aparece la d.d.p. entre sus bornes y, debido a ello, los electrones del circuito son empujados por el borne de mayor potencial y atraídos por el otro, produciéndose el movimiento de los mismos a través del circuito, desde el punto de mayor potencial al de menor, que dura mientras exista d.d.p. De lo anteriormente expuesto deducimos: a) Los generadores eléctricos producen fuerza electromotriz (f.e.m.). b) La f.e.m. produce d.d.p. entre los bornes del generador. e) La d.d.p. aplicada a un circuito, produce la corriente eléctrica en él. Los generadores son, por tanto, capaces de producir energía eléctrica. Entre los diferentes tipos destacaremos: Pilas.-Transforman la energía química en eléctrica. Acumuladores.-Reciben energía eléctrica que transforman en química, manteniéndola acumulada para más tarde deshacer la transformación y devolver otra vez energía eléctrica. Dinamos y alternadores.-transforman la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. La unidad de medida del potencial eléctrico o tensión es el voltio. Un voltio es la fuerza eléctrica o tensión que hay que aplicar a un conductor de resistencia unidad para que se produzca una corriente de un amperio. Como múltiplos y submúltiplos del voltio se usan: El megavoltio (MV); 1 MV = V = 10 6 V. El kilovoltio (KV); 1 KV = V = 10 3 V. El milivoltio (mv); 1 mv = 0,001 V = 10-3 V. El microvoltio CuY); 1,tV = 0, V = 10-6 V. El aparato capaz de medir la tensión se llama voltímetro y se monta en derivación con el circuito cuya diferencia de potencial aplicada se quiere conocer. Dicho de otra forma, los bornes del voltímetro deben unirse a los dos puntos entre los que existe la d.d.p. que se quiere medir y, para realizar la medición, el circuito debe estar funcionando RESISTENCIA El paso de la corriente eléctrica no se realiza en todos los conductores con la misma facilidad, pues, como ya hemos visto, la estructura atómica de los cuerpos influye grandemente en la facilidad de desplazamiento de los electrones, así como otras causas que pasamos a considerar a continuación. Se llama resistencia, a la oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica, es decir, la dificultad que encuentran los electrones para desplazarse, ocupando órbitas distintas en los átomos cercanos. Su unidad de medida es el ohmio (O). Un ohmio es la resistencia eléctrica de una columna de mercurio de un milímetro cuadrado de sección y 103,6 cm de longitud a la temperatura de cero grados centígrados. Como múltiplos del ohmio se emplean el kilohomio (KO) = O y el megahomio (MO) = O. Como submúltiplo se emplea el microhomio (,t0) que es una millonésima parte de ohmio. 18

19 LEY DE OHM Según la resistencia que oponen los cuerpos al paso de la corriente eléctrica, se clasifican, como ya vimos, en conductores y aislantes. La experiencia demuestra que la resistencia de un conductor es tanto mayor, cuanto más longitud tenga y menor sea su sección. También es evidente que cuanto mayor sea el número de electrones libres de una sustancia, menor es su resistencia eléctrica, puesto que los electrones pueden desplazarse con mayor facilidad por ella, luego, la resistencia depende también del tipo de material con que está fabricado el conductor. Dicho de otra forma, la resistencia eléctrica de un conductor, es directamente proporcional a su longitud, e inversamente proporcional a su sección, dependiendo también de un factor p, llamado resistividad del conductor, que expresa de alguna manera el número de electrones libres que posee, es decir, su estructura atómica, o lo que es igual, la clase de sustancia de que está hecho este conductor. La expresión matemática es la siguiente: p l R=s donde R es la resistencia en ohmios; 1, la longitud en metros; s, la sección en milímetros cuadrados y p es la resistencia específica o coeficiente de resistividad, que depende del tipo de material del conductor y se expresa en ohmios metro milímetros cuadrados La resistividad de las sustancias, varía con la temperatura. Las lámparas de alumbrado cuando alcanzan su temperatura de funcionamiento (aproximadamente oc), tienen una resistencia específica unas diez veces mayor que en frío y esto es debido a que el calor hace que las moléculas de los cuerpos se encuentren en constante movimiento, siendo su vibración tanto más rápida cuanto mayor es la temperatura, lo cual dificulta el desplazamiento de los electrones en el interior del cuerpo conductor cuando su temperatura se eleva. Lo contrario ocurre cuando el cuerpo se enfría, hasta tal punto, que a temperaturas del cero absoluto ( oc), la resistividad del cobre y otros metales es nula, debido a que sus moléculas no tienen ningún movimiento a esta temperatura, lo cual facilita el desplazamiento de los electrones de unas órbitas a otras cercanas LEY DE OHM El físico alemán Ohm, comprobó expe ;imentalmente que cuando se aplica a un circuito eléctrico determinado, una diferencia de potencial doble o triple, se obtiene una intensidad de corriente doble o triple también. E 2E 3E -=-=-=... R / 2/ 3/ El cociente obtenido al dividir la tensión aplicada al circuito por la intensidad de corriente obtenida, es una constante R y expresa una característica del circuito, que es precisamente su resistencia. Estas experiencias se plasmaron en la ley de Ohm, que dice: «La intensidad de corriente eléctrica obtenida en un circuito, es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica del mismo.» La expresión algebraica de esta leyes: E /= - R 19

20 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES siendo J, la intensidad de corriente en amperios; E, la tensión aplicada en voltios y R, la resistencia en ohmios. De esta expresión deducimos: E E=J R Y R=- 1 Como aplicación inmediata de esta Ley, puede calcularse la resistencia eléctrica de un circuito, conociendo la tensión aplicada y la intensidad de corriente obtenida. Por ejemplo, puede calcularse la resistencia del filamento de una lámpara, para lo cual, disponemos un circuito eléctrico como muestra la Fig. 1.8, en el que se conectan un voltímetro y un amperímetro de la forma señalada. Si estos aparatos indican 12 voltios y 2 amperios respectivamente, la resistencia es: E 12 V R=-=--=6Q 1 2 A También, mediante el empleo de la ley de Ohm podemos calcular la tensión aplicada o la intensidad de corriente en un circuito, conociendo los otros dos factores AGRUPACIONES SERIE Se dice que varios componentes de un circuito eléctrico están conectados en «serie», cuando la totalidad de la corriente pasa por cada uno de ellos necesariamente. Los elementos del circuito se disponen unos a continuación de otros, tal como muestra la Fig. 1.9 en la que los receptores se representan con el símbolo de las resistencias. + R" Fig Fig La denominación de resistencia, no implica necesariamente la idea de un accesorio llamado resistencia, instalado con el fin de oponerse al paso de la corriente eléctrica, sino que designa todo aparato receptor montado en el circuito, como pueden ser: lámparas, motores eléctricos, o cualquier otro componente consumidor de energía. En las agrupaciones de varias resistencias conectadas en serie, la intensidad de la corriente es la misma en cualquier punto del circuito, pues los electrones sólo tienen un camino (como puede verse en la figura), y por ello, están obligados a pasar en igual cantidad por todas las resistencias. 20

21 AGRUPACIONES SERIE El circuito de la Fig. 1.9, es equivalente a otro cuya resistencia Ro fuese la suma de R 1, Rz y R3' La intensidad /0 de corriente en el circuito es: de donde se deduce que: Eo /=o R o con lo cual, se cumple igualmente: como (1) se tiene también que: Si en (1) sustituimos Eo tenemos y dividiendo por /0 queda que nos permite el siguiente enunciado: «La resistencia total de un circuito en el que los componentes están conect.ados en serie, es igual a la suma de las resistencias parciales de dichos componentes.» Igualmente, la tensión total aplicada a un circuito por varios generadores conectados en serie, es igual a la suma de las tensiones parciales de los generadores conectados. Ejemplo: En la Fig. 1.10, la tensión total aplicada al circuito es: De igual forma, la resistencia total es: Eo = El + Ez + E3 = = 18 V La intensidad de corriente en el circuito es: Eo 18 / =-=-=2A o Ro 9 Nótese que los generadores se han conectado de manera que sus fuerzas electromotrices sean del mismo sentido, para lo cual, debemos cuidar de unirlos eléctricamente con la polaridad adecuada, de tal forma, que sus bornes vayan conectados: positivo del primero con negativo del segundo, positivo de éste con negativo del siguiente y así sucesivamente. En el caso de las resistencias no es necesario guardar ningún criterio de polaridad. 21

22 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES + E 1 + R 1 = 20 R 2 = 10 R3 = 60 E 1 = 6V E 2 = av E3 = 4V Fig AGRUPACIONES PARALELO Se dice que varios componentes de un circuito eléctrico están conectados en paralelo, cuando la corriente se bifurca al llegar a ellos, pasando una parte de la misma por cada componente. En la Fig se ha representado un circuito con tres resistencias conectadas en paralelo. Llamando Eo a la tensión aplicada, tenemos, según la ley de Ohm: Observando la figura, vemos que la corriente lo que parte del generador y llega hasta el punto A, se subdivide en 1 1, 1 2 e 13 resultando así que En el punto B, se vuelven a juntar 1 1, 1 2 e 13 y el resultado es lo, que llega hasta el generador. + - A Eo = 10V R 1 = 40 R 2 = 100 R3 = 50 B Fig

23 AGRUPACIONES PARALELO La resistencia total del circuito, es equivalente a la suma de las tres dadas, es decir, aquélla que puede sustituir a las tres, de tal forma, que con la misma tensión Eo aplicada se obtenga una intensidad lo igual a la del circuito formado en la figura, es decir: Por tanto podemos hacer, Eo 1=o R o y sustituyendo, Dividiendo por Eo queda que nos permite enunciar: «La resistencia equivalente a otras varias conectadas en paralelo es tal, que su inversa es igual a la suma de las inversas de las resistencias que forman la agrupación.» En la figura puede observarse que en una agrupación de resistencias conectadas en paralelo, la tensión aplicada a cada una de ellas es la misma, pues los dos extremos de cada una de las resistencias están conectados directamente a los bornes del generador. En los circuitos paralelo se cumple: a) La resistencia total es tanto menor, cuanto mayor sea el número de resistencias conectadas en paralelo, pues en efecto, como = Ro R 1 R 2 R3 Rn cuantos más sumandos haya, mayor es la fracción l/ro, lo que implica que Ro es menor. b) La resistencia total Ro es menor que la más pequeña de las resistencias parciales. e) La intensidad de corriente lo en el circuito es mayor cuantos más elementos haya conectados, pues Ejemplo: En la Fig. 1.11, las intensidades de las corrientes 1 1, 1 2 e 13 son: por tanto, Eo 10 Eo 10 Eo 10 I =-=-=25A- I =-=-=1A- I =-=-=2A 1 R 1 4 ', 2 R 2 10 ' 3 R3 5 lo = = 2, = 5,5 A La resistencia total del circuito podemos calcularla aplicando la ley de Ohm y tenemos: Eo 10 Ro = - = - = 1,82 n lo 5,5 23

24 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES También podemos calcular la resistencia total del circuito así: La intensidad de corriente lo es, por tanto, =-+-+-=-+-+-=- Ro Rl R 2 R = - => R = - = 1 82 O Ro 20 o 11 ' Eo 10 I =-=-=55A o R o 182, ' que son lqs mismos resultados obtenidos con el anterior procedimiento. En el caso de los generadores, para conseguir una agrupación en paralelo de varios de ellos, deben unirse todos los bornes positivos entre sí y hacer lo mismo con los negativos, tal como se ha representado en la Fig En estas agrupaciones, todos los generadores deben tener la misma f.e.m., pues en caso contrario, los de menor tensión harían el papel de receptores, como más adelante se verá. lo - E, - ID Fig La tensión resultante y, por tanto, la aplicada al circuito, es la de cualquiera de los generadores, es decir: AGRUPACIONES SERIE-PARALELO Son combinaciones de las anteriores, formadas al conectar varios elementos en serie y otros en paralelo. En la Fig puede verse en un circuito mixto, es decir serie-paralelo, donde Rl = R 2 = 2 O Y R3 = 3 O; Eo = 20 V Eo Fig

25 CAlDA DE TENSION La resistencia total de este circuito es la suma de las resistencias comprendidas entre los tramos AB y CD, puesto que ambos tramos están en serie. La del tramo AB es R 1 = 2 n y la del tramo CD es: ReD ="5 = 1,2 n - = - + _ =? ReD 2 3' ReD 6 por tanto: Ro = R AB + ReD = 2 + 1,2 = 3,2 n La intensidad de corriente total en el circuito es: Eo 20 /0 = - = - = 625 A Ro 3,2 ' Esta corriente parte del generador y pasa toda ella a través de la resistencia R 1, llegando hasta C, donde se subdivide en /1 e /2 cumpliéndose que: La tensión aplicada a la resistencia R 1 es El = R 1. /0 = 2. 6,25 = 12,5 V La tensión aplicada al grupo formado por las resistencias R 2 y R 3, es el producto del valor de estas resistencias por la corriente que pasa por este grupo, que como sabemos es /0' pues hasta e llega la corriente total/o y de D sale también el total/o; por tanto, Vemos que se cumple por tanto que Las intensidades /1 e /2 son respectivamente donde se cumple también que E 2 = ReD /0 = 1,2 6,25 = 7,5 V Eo = El + Ez = 12,5 + 7,5 = 20 V Ez 7,5 Ez 7,5 / = - = - = 375 A- / = - = - = 25 A 1 Rz 2 ', Z R3 3 ' /0 = /1 + /z = 3,75 + 2,5 = 6,25 A CAlDA DE TENSION En el circuito representado en la Fig. 1.14, al cerrar el interruptor B se establece una corriente /0. Si la f.e.m. del generador es de 12 V, el valor de la intensidad de corriente es: E 12 V / =-=--=2A o R 6 n Esta corriente pasa en su totalidad por la lámpara y por la resistencia (están conectadas en serie) y es acusada por el amperímetro. 25

26 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES B lo - 2ft Fig La tensión aplicada a la lámpara y medida por el voltímetro V 3 es: E=R'l=4'2=8V lo que indica que a ella no llega toda la tensión del generador, sino una parte. El resto se ha perdido en la resistencia, es decir, el paso de la corriente por la resistencia ha provocado en ella una caída de tensión, que es igual al producto R. l. Efectivamente, la tensión aplicada a la resistencia y marcada por el voltímetro V 2 es: E=R'l=2'2=4V que sumados a los 8 V aplicados a la lámpara, dan los 12 V producidos por el generador. La caída de tensión es, por tanto, directamente proporcional a la intensidad de corriente que recorre a la resistencia y al valor óhmico de ésta. El generador G de la figura, presenta también cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica, lo cual significa que cuando se cierra el interruptor B, el paso de corriente por todo el circuito y, por tanto, a través del propio generador, provoca en éste una caída de tensión, lo cual supone que al circuito no estén aplicados los 12 V, sino 12 V - Rlo siendo Ri la resistencia interna del generador. En la práctica, la tensión marcada por el voltímetro V 1 no es la misma estando el interruptor B abierto o cerrado. Si la lectura se efectúa a interruptor abierto, estamos midiendo la fe.m. del generador. Si se realiza a circuito cerrado, medimos la tensión aplicada al circuito. El generador provoca, por tanto, una caída de tensión debida a su resistencia interna. Supongamos que la resistencia interna es de 1 n; en este caso, al cerrar el interruptor, la corriente que circula por el circuito no es de 2 A como habíamos calculado sino de: E 12 l=--=--=17a R + Ri ' Esta corriente, a su paso por el generador produce una caída de tensión de E = R. l = 1. 1,7 = 1,7 V lo que significa que el voltímetro V 1 marca 12 - lo que supone que la corriente en el circuito es: como habíamos calculado con anterioridad. 26 E 10,3 l=-=-=17a R 6 ' 1,7 = 10,3 V cuando se cierra el interruptor,

27 CAIDA DE TENSION La resistencia interna de un generador es dificil de medir pero fácil de calcular; para ello conectaremos un voltímetro V 1 y un amperímetro, como indica la figura y realizamos lecturas del voltímetro a circuito abierto y cerrado. La resistencia interna del generador es: E- U R.=--, [o es decir, es el cociente de dividir la diferencia de tensiones a circuito abierto (E) y cerrado (U) por la intensidad de corriente obtenida al cerrar el interruptor. También podemos decir que en el circuito exterior, para conseguir una corriente de 1,7 A, es necesario aplicar una tensión de: U = [. R = 1,7' 6 = 10,2 V que es precisamente la tensión aplicada al circuito (salvando el error cometido al tomar un solo decimal), o lo que es igual, la caída de tensión habida en el circuito. Basándonos en todo lo anterior, podemos definir la caída de tensión entre dos puntos de un circuito, como la d.d.p. que debe existir entre dichos puntos para hacer circular la corriente por la porción de circuito considerado. También podemos decir que la suma de las caídas de tensión a lo largo de un circuito es igual a la Le.m. del generador. Como la corriente [ obtenida en un circuito depende de la resistencia exterior del mismo, la caída de tensión que se produce en el interior de un generador, no es una cantidad fija, sino que será tanto mayor cuanta más corriente tengamos en el circuito exterior, o lo que es igual, cuanto menor sea su resistencia. En los conductores de los circuitos eléctricos, también se producen caídas de tensión, puesto que presentan cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica. Como la caída de tensión es proporcional a la resistencia y a la intensidad de corriente que circule, en los circuitos deberán utilizaarse conductores de poca resistencia, para evitar en lo posible las caídas de tensión, que en este caso son perjudiciales. Sabemos que la resistencia eléctrica de un conductor es directamente proporcional a su longitud y su resistividad, e inversamente proporcional a su sección; por tanto, deberán emplearse conductores lo más cortos posible y de materiales apropiados (como el cobre) para que su resistividad sea baja; así mismo, la sección debe ser suficiente. Se considera que la máxima caída de tensión admisible en los conductores, debe ser inferior al 2,5 % de la tensión aplicada al circuito y para lograrlo, como la longitud del cable no podemos acortarla a voluntad (depende del lugar donde deba ir el receptor), hay que utilizar cable de sección suficiente. Para calcularla veamos el ejemplo siguiente: Ejemplo: Calcular la sección necesaria del cable para instalar una lámpara por la que han de pasar 2 A, al aplicarle una tensión de 12 V, siendo 4 m la longitud total del conductor empleado. Caída de tensión máxima admisible: la resistencia del conductor debe ser: 2,5 % de 12 V = 0,3 V E 0,3 = 015 O [ 2 ' R = - = - Si utilizamos cable de cobre cuya resistividad es 0,0175 Om/mm 2, la sección del mismo debe ser: p./ R=- => s p. / 0, S = - = = 046 mm R 0,15 '

28 CIRCUITOS ELECTRICOS. MAGNITUDES FUNDAMENTALES que supone un cable de diámetro D = f; - s = )4.0,46 --= 0,76 mm de </> 7r 3,14 En el automóvil se utilizan cables de diferentes secciones, según los circuitos empleados, es decir, en relación con la intensidad de corriente que ha de circular por ellos. Se admite generalmente una densidad de corriente de tres a cuatro amperios por milímetro cuadrado de sección del conductor de cobre, llamándose densidad de corriente a la cantidad de electricidad en culombios que atraviesa una sección unidad del conductor en un segundo. Se mide en coulombios seg' cm 2 amperios cm 2 o bien amperios mm 2 En la industria se fabrican cables de diferentes materiales y secciones, atendiendo a las necesidades de las instalaciones de los automóviles. La plata es la mejor sustancia a emplear por su alta conductividad, pero debido a su precio, es muy poco utilizada (sólo en casos en que se requiera una gran precisión). El cobre es el más empleado, no sólo por su alta conductividad y buen precio, sino también porque es muy maleable y resistente a la corrosión y a la tracción. Por razones similares es también empleado el aluminio APARATOS ELECTRICOS DE MEDIDA Para medir la intensidad de corriente de un circuito, se emplean como sabemos los amperímetros, en los que se dispone de un mecanismo interior, que acciona una aguja desplazable sobre una escala visible y graduada en amperios, miliamperios, etc., según sea la intensidad de la corriente a medir. El amperímetro se conecta en serie con el circuito en el que vamos a efectuar la medida. De los diferentes tipos empleados, destacaremos el llamado de cuadro móvil, representado en la Fig., 1.15, que consta de un cuadro A, al cual hay arrollado un hilo conductor e en forma de bobina y al que está sujeta también la aguja D. El cuadro A puede girar sobre los extremos de su eje B dentro del campo magnético N-S. Fig El paso de una corriente por la bobina, hace que ésta forme su propio campo magnético, que actúa en oposición con el creado por el imán N-S. Cuanto mayor sea la corriente que 28

29 APARATOS ELECTRICOS DE MEDIDA pasa por la bobina, mayor es el campo magnético creado por ella, que en oposición con el N-S, produce el giro del cuadro móvil que, a su vez, mueve la aguja desplazándola por delante de la escala graduada. El sentido de movimiento de la aguja depende del de la corriente. La entrada y salida de la corriente se efectúa por ambos extremos del eje (que van convenientemente aislados), y a través de sendos muelles en espiral, que al mismo tiempo sirven para mantener la aguja en reposo sobre el centro de la escala graduada o sobre su origen. La bobina del cuadro móvil es de hilo fino y por ella pasa una intensidad de corriente pequeña. La mayor parte de la corriente pasa por la resistencia R, colocada en paralelo, denominada shunt. El valor óhmico de esta resistencia depende de la corriente máxima que se desee medir con el amperímetro. Ejemplo: Sea un amperímetro cuyo cuadro móvil tiene una resistencia de 5 n y cuya desviación es máxima para una corriente de 0,2 A. Por tanto, la desviación es máxima para una tensión de: E = R. 1 = 5. 0,2 = 1 V Si se desean medir con este amperímetro hasta 40 A, la resistencia del shunt debe ser: E 1 40 A-O 2 A = 39 8 A- R = - = - = 0025 n, " 1 39,8 ' Para medir la tensión aplicada a un circuito, se emplea como ya vimos el voltímetro. En principio, su construcción es idéntica a la del amperímetro, pero la resistencia es muy grande (al contrario de lo que ocurre con el amperímetro) y va conectada en serie con la bobina móvil, limitando así la corriente que pasa por ella. Al igual que ocurre con el amperímetro, el valor óhmico de la resistencia de un voltímetro depende de la tensión máxima que se vaya a medir con el aparato. Ejemplo: La resistencia del cuadro móvil de un voltímetro es de 5 n. La desviación máxima de la aguja se produce para una corriente de 0,1 A a través de la bobina móvil. Se desea saber cuál es el valor de la resistencia que debe conectarse en serie para obtener una posibilidad de medida máxima de 20 V. La desviación de la aguja debe ser total para 20 V, 10 que se obtendrá si la corriente es de 0,1 A. La resistencia del circuito debe ser: E 20 R = - = - 1 0,1 = 200 n Como el cuadro tiene ya una resistencia de 5 n, hay que añadir otra (conectada en serie) de: = 195 n La resistencia de un circuito eléctrico o de un receptor, puede medirse indirectamente utilizando un voltímetro y un amperímetro, con 10 cual, disponiendo de los datos: tensión e intensidad, podemos calcular la resistencia. También podemos medir resistencias mediante el empleo del óhmetro, que no es más que un amperímetro al que interiormente van conectadas dos resistencias (una fija y otra móvil) y una pila, tal como indica la Fig Entre las puntas de prueba A y B se conecta la resistencia a medir y una vez efectuada la conexión se produce una corriente en el circuito, que para la tensión fija de la pila, depende del valor óhmico de dicha resistencia. La escala del amperímetro se gradúa en óhmios y así se obtiene directamente el valor de la resistencia del circuito medido. 29