Módulo: Circuitos eléctricos auxiliares del vehículo y mantenimiento de los sistemas eléctricos y electrónicos auxiliares del vehículo.

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1 Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Unidad Técnico Pedagógica Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Circuitos eléctricos auxiliares del vehículo y mantenimiento de los sistemas eléctricos y electrónicos auxiliares del vehículo. Guía Nº 1 de Mecánica Automotriz. (Fuente de información: Electromecánica de Vehículos; Sistemas eléctrico del automóvil. Mantenimiento del sistema de carga y arranque del vehículo, Autor José Manuel Alonso Pérez. Editorial Paraninfo) Objetivo: Estudiar la estructura y las características de los circuitos eléctricos de corriente continua. Conocer las magnitudes fundamentales y leyes que rigen el funcionamiento de los circuitos eléctricos. Analizar los tipos de conexiones eléctricas en los circuitos y sus consecuencias. Introducción: El automóvil dispone de una serie de componentes eléctricos agrupados por circuitos e interconexiones por medio de una instalación eléctrica. Los circuitos eléctricos transforman la energía eléctrica en otras clases de energía (mecánica, calorífica, química, etc.), según las necesidades requeridas. El funcionamiento de los circuitos eléctricos está regido por una serie de leyes fundamentales que es preciso conocer o asimilar después con facilidad el funcionamiento de los diversos componentes eléctricos utilizados en automóviles y las transformaciones de energía que en ellos se producen. En esta guía se estudiarán los conceptos básicos de electricidad y las leyes fundamentales. 1. Equipo eléctrico del automóvil. Los automóviles actuales 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 se realizan las funciones más diversas, en beneficio de una mayor seguridad en los vehículos y mejor confort de los pasajeros. El conjunto de todos los mecanismos que funcionan utilizando la energía eléctrica forman el llamado equipo eléctrico del automóvil, que para su estudio se dividen en partes denominadas circuitos. Una división de las muchas que podrían hacerse, establece los siguientes circuitos: arranque, carga, encendido, alumbrado, maniobra y accesorios. De ellos, los tres primeros están íntimamente ligados al funcionamiento del motor. Cada uno de los circuitos enumerados tiene una misión concreta que 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 energía eléctrica, para lo cual se conectan 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 poner en marcha al motor del vehículo. 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 realice la explosión de la mezcla de aire y gasolina en el motor y pueda funcionar por sí solo. El alumbrado se utiliza para iluminar la calzada por la que circula el vehículo de noche y señalizarlo en ella. El de maniobra 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 automóvil.

2 En la figura 1 se muestra la implantación de los distintos componentes del equipo eléctrico en un automóvil, conectados entre sí por medio de la instalación eléctrica que, fijada a la carrocería, se extiende por todo el vehículo. Quedan así formados diferentes circuitos eléctricos, cuyo funcionamiento se rige por las leyes eléctricas fundamentales que vamos a estudiar a continuación. Figura 1. Ubicación de componentes del equipo eléctrico del automóvil. 2. Estructura Atómica de la materia. La electricidad está íntimamente ligada a la estructura de la materia, dado que ella contiene las cargas eléctricas propiamente dichas, por medio de las cuales es posible obtener los diferentes fenómenos. La materia se define como toda sustancia dotada de masa que ocupa un espacio. Está constituida por minúsculas partículas unidas entre sí, cada una de las cuales está formada por varias moléculas y, éstas a su vez, por varios átomos. Los átomos de cualquier sustancia son las partículas más pequeñas en las que puede descomponerse. Si los átomos que forman una molécula son iguales, tenemos un elemento; mientras que si son diferentes, lo obtenido es un compuesto. Cada elemento se caracteriza por sus átomos, que son distintos a los otros elementos en cuanto a su estructura se refiere. Existen 103 elementos simples definidos en la actualidad, aunque hay algunos más en proceso de clasificación, de lo cual deducimos que hay otros tantos átomos diferentes. Cada uno de los átomos de cualquier elemento está compuesto por una parte central llamada núcleo, formado por protones y neutrones (figura 2), y otra llamada corteza, ocupada por una serie de minúsculas partículas llamadas electrones, que están en continuo movimiento alrededor del núcleo, siguiendo órbitas circulares y elípticas. Esta capa externa confiere al átomo sus propiedades químicas y eléctricas. La estructura del átomo recuerda, pues, un sistema solar. Donde el núcleo es el sol y sus electrones los planetas. F Figura 2. Estructura del átomo. Los electrones están provistos de una carga eléctrica negativa, mientras que los protones tienen carga positiva. Los neutrones no poseen carga eléctrica alguna y actúan como aglomerante de lo protones que, dada su carga eléctrica, tienden a repelerse entre ellos. Entre los protones y los electrones existen fuerzas de atracción que ligan el conjunto del átomo. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

3 En la figura 3 se ha representado un átomo de cobre, cuyo núcleo contiene 29 protones y 35 neutrones. Alrededor del núcleo hay 29 electrones en diferentes órbitas. Como cada protón tiene una carga positiva, cada electrón una negativa y éstas son iguales en magnitud, el átomo resulta neutro de carga exterior. Como la materia está formada por átomo, resulta asimismo neutra. Los electrones están emplazados en distintos niveles de energía siguiendo un orden, lo que caracteriza al átomo de un elemento determinado, pudiendo diferenciar de los otros elementos. Así está constituido el sistema periódico de los elementos. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ Figura 3 El primer nivel de energía está ocupado por dos electrones que siguen órbitas circulares. Estos electrones están muy ligados al núcleo, debido a que las fuerzas eléctricas de atracción entre protones y electrones son grandes, pues este nivel de energía es muy cercano al núcleo. El segundo nivel de energía contiene 8 electrones más, que siguen órbitas circulares y elípticas (aunque no se haya representado así en la figura). Las fuerzas de atracción entre el núcleo y los electrones de este nivel es, pues, mayor que la del anterior. El tercer nivel de energía contiene 18 electrones siguiendo órbitas circulares elípticas, y el último nivel está ocupado, en este caso, por un solo electrón ligado muy débilmente al núcleo, lo que le confiere al átomo de cobre sus especiales características de conducción eléctrica. Los electrones en un átomo se distribuyen de manera que su energía sea mínima, es decir, situándose en los niveles más bajos pero respetando siempre una determinada cantidad máxima de ellos en cada nivel. Cuándo una capa o nivel esta completa, los electrones están muy ligados al núcleo y es muy difícil desprenderlos de las órbitas. Por el contrario, cuándo la última capa no esta completa, como en el caso del cobre, sus electrones, llamados electrones de valencia, tienen una gran movilidad y pueden ser sacados de sus órbitas sin gran dificultad. Por ello también se les llama electrones libres y, en los cuerpos o elementos formados por estos átomos, los electrones libres (de la última capa) están moviéndose continuamente, pasando de un átomo a otro contiguo (figura 4). La orbita que deja libre un electrón es inmediatamente ocupada por otro, pues el átomo, que desequilibrado al tener un electrón menos que tiende al equilibrio para volver a ser neutro, atrayendo otro electrón libre del átomo más cercano para conseguirlo. Si un átomo pierde un electrón sin posibilidad de recuperarlo (puede lograrse por medios químicos, por ejemplo) queda convertido en un ión positivo, en este caso, y su estado ya no es neutro, el existir un desequilibrio de cargas. Si lo gana ocurre lo contrario. F 3. Cuerpos conductores y aislantes. Atendiendo a la estructura de sus átomos, los elementos o los cuerpos pueden ser conductores o aislantes. Todos los fenómenos que están relacionados con la conducción eléctrica tienen lugar en la periferia exterior de la envoltura y entre los átomos. Los cuerpos formados por átomos, cuya última capa está ocupada por uno o dos electrones (no está completa), son los llamados conductores. El cuerpo resulta más conductor, cuando más electrones libres tenga en total, y estén menos ligados éstos al núcleo (órbitas alejadas). De ello resulta que son conductores todos los metales, en los cuales, el electrón solitario del estrato exterior o los dos electrones en otros casos están ligados de forma muy débil al núcleo, moviéndose libremente a través de la textura metálica. Los cuerpos conductores permiten el movimiento de los electrones a través de ellos y, si les aplicamos una fuerza de origen eléctrico, podemos conseguir un flujo de electrones llamado corriente eléctrica. De entre los metales destacan como buenos conductores, la plata, el cobre y el aluminio, todos ellos con un solo electrón en su última capa. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

4 Los cuerpos formados por átomos cuya capa externa está completa o faltan uno o dos electrones para completarla son los llamados aislantes. En ellos, los átomos retienen fuertemente a sus electrones que, de esta forma, tienen muy poca movilidad, por cuya causa resulta difícil su desplazamiento a través del cuerpo y, en consecuencia, existe una gran dificultad para conseguir un flujo electrónico. Cuando se aplican fuerzas eléctricas muy grandes, puede conseguirse una corriente electrónica a través del cuerpo, debido a que se rompe la estructura atómica. Por esta causa, ninguna sustancia es aislante perfecto, pero en la práctica se comportan como tales muchas de ellas, como la porcelana, el vidrio, el caucho, etc. Hay sustancias que tienen propiedades intermedias entre las dos clases mencionadas. En ellas, la cantidad de electrones libres depende de determinados factores, como calor, luz, composición química, etc. Estas sustancias son semiconductores y resultan conductoras en unas determinadas condiciones y aislantes entre otras. Son semiconductores el germanio, el silicio, el selenio, etc. La conductividad de un material guarda estrecha relación con las características de sus átomos, siendo decisivas, tanto la estructura del átomo individual, como la acción combinada de todos ellos. 4. Corriente Eléctrica. En un conductor, donde en condiciones normales los electrones libres se mueven en todas direcciones, es posible obtener un movimiento ordenado de los mismos, o sea, un flujo de electrones en una determinada dirección. Si conectamos una pila a este conductor, como indica la figura 4, sus electrones libres sufren un empuje eléctrico debido a la pila, de tal forma que se desplazan a través del conductor, originándose una corriente eléctrica. El flujo electrónico está dirigido hacia el polo positivo de la pila, como si los electrones del conductor sufrieran una repulsión desde el polo negativo; es decir, el primer electrón A sufre un empuje que lo hace desplazarse hasta B, sacando a este electrón de su órbita para ocuparla él, mientras que el electrón B hace lo propio con el siguiente y, así sucesivamente, hasta que el último de los electrones del conductor es sacado de su órbita y del cuerpo conductor, entrando por el otro extremo a ocupar el lugar vacío dejado por el electrón A. Vemos, por tanto, que para obtener el movimiento de un electrón, es necesario que otro ocupe su lugar, luego en un conductor hay siempre el mismo número de electrones y, si sale uno por un extremo, entra otro por el opuesto. Figura 4. Flujo de electrones a través de un conductor. Antiguamente se suponía que las partículas eran cargas de signo positivo, denominándose corriente eléctrica al movimiento de estas cargas. Actualmente se sabe que no es así, pero se sigue considerando que la corriente eléctrica se establece de positivo a negativo (sentido técnico de la corriente), mientras la corriente eléctrica (movimiento real de los electrones) está dirigida de negativo a positivo. Considerando todo lo anterior, podemos formular una definición de corriente eléctrica y diremos que el movimiento ordenado de los electrones que han sido desplazados de sus órbitas mediante la aplicación de una fuerza eléctrica. Se puede asegurar que la corriente eléctrica es el movimiento ordenado de los electrones a través de un 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 en un sentido unas veces y otras en el contrario, debido al cambio de sentido de la fuerza aplicada. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

5 La figura 5 muestra la representación gráfica de una corriente continua y otra alterna. En la primera, la línea horizontal a la altura de 12 voltios indica el establecimiento de la corriente y la de cero voltio corte de la misma en el circuito. La gráfica correspondiente a la corriente alterna muestra una variación de la misma en el tiempo, aumentando y disminuyendo progresivamente y cambiando de sentido periódicamente. Una evolución completa como la representada en la figura se denomina ciclo y el número de e que se produce en un segundo es la frecuencia de la corriente. 5. Circuito eléctrico. Figura 5. Representaciones gráficas de la corriente eléctrica. 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: Supongamos dos recipientes con agua (fig. 6) 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 gracias a la cual, 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. 7), en el cual se dispone de un generador, en el que existe una diferencia de potencial eléctrico entre sus Fig. 6 Analogía hidráulica 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 y los electrones, empujados la fuerza eléctrica del generador, se moverán a través del circuito. Figura 7. Circuito eléctrico elemental. 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 disponer, además, un fusible, 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 figura 8, con la ventaja de ahorrar el cable que constituye el camino de vuelta. Figura 8. Circuito eléctrico de automóvil. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

6 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 figura 9 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. Figura 9. Cortocircuito. 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. 6. Magnitudes Fundamentales. Las leyes que rigen el funcionamiento de los circuitos eléctricos están ligadas por una serie de magnitudes fundamentales, de las que destacaremos las siguientes: a) Intensidad de la 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 eléctrica que circula por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es el amper. La intensidad de la corriente eléctrica corresponde en el circuito hidráulico, a la cantidad de agua que pasa de un depósito a otro en un tiempo unidad, es decir, el caudal. Como submúltiplos del amperio se utilizan el miliamper (1mA = 0,001A ó 1A = 1000mA) y el microamper (1 A = 10-6 A ó 1A = A ). El aparato capaz de medir la intensidad de una corriente eléctrica se llama amperímetro y se conecta en el circuito en serie (fig. 11), es decir, de manera que la corriente eléctrica pase en su totalidad por él. Tomando como referencia un punto cualquiera de un circuito eléctrico, la cantidad de electricidad Q (carga eléctrica) que pasa por este punto es: Q = I x t, siendo I la intensidad de corriente y t el tiempo en segundos. Al producto entre I y t se le llama cantidad de electricidad y se mide en culomb. Cuando se establece una corriente de un amperio, la cantidad de electricidad que pasa por el circuito en cada segundo es de un culombio, de lo que puede deducirse que: I = Q t Figura 10 El amper/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 una hora. Un amper-hora equivale a culomb. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

7 b) Tensión. 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. Tomando como referencia el sistema hidráulico de la figura 11, la diferencia de nivel (h) entre los depósitos A y B origina diferentes presiones del agua encerrada en ellos, de manera que al abrir la llave de paso, la mayor presión existente en el depósito A obliga a pasar el agua hacia el depósito B, hasta que se igualen las presiones (cuando no exista diferencia de nivel). 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 B, para hacerla regresar por otro camino (de vuelta) al depósito A. La bomba en este caso realiza un trabajo manteniendo la diferencia de nivel. De manera semejante, en un circuito eléctrico 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 en que no exista diferencia de potencial, 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. Figura 11. Analogía hidráulica de la tensión eléctrica. 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. Generadores: Transforman la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. La unidad de medida del potencial eléctrico o tensión es el volt. Como múltiplos y submúltiplos se usan: el megavolt (lmv = V), el kilovoltio (lkv = V), el milivolt (1mV = 0,001 V ó 1V = volt) y el microvolt (l V = 0,000001V ó 1V = V). Figura 12. Conexión del voltímetro. El aparato capaz de medir la tensión se llama voltímetro y se monta en derivación con el circuito cuya d.d.p. aplicada se quiere conocer (fig.12). Dicho de otra forma, los bornes del voltímetro deben unirse a los dos puntos entre los que existe la d.d.p. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ

8 c) Resistencia. Se llama resistencia eléctrica a la oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica; es decir, la dificultad que encuentran los electrones para desplazarse en el seno del conductor. Su unidad de medida es el Ohm ( ). Como múltiplos se emplean el kiloohm (K ) y el megaohm (M ), y como submúltiplo el microohm ( ). La resistencia eléctrica puede ser medida por medio de un ohmímetro u óhmetro. 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 de 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 ( ) 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: R = _x l s donde R es la resistencia en ohm; l, la longitud en metros; s, la sección en milímetros cuadrados; y ; la resistencia específica o coeficiente de resistividad del material conductor. La resistividad del cobre empleado en instalaciones eléctricas en el automóvil es de 0,017 mm 2 /m, mientras que la del aluminio es 0,029. La resistividad de las sustancias varía con la temperatura. Las lámparas de alumbrado, cuando alcanzan su temperatura de funcionamiento (aproximadamente C), 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 (-273 C), 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. ÁREA DE ELECTROMECÁNICA ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ