Escuela Industrial Salesiana San Ramón - La Serena Mecánica Automotriz Profesor Carlos Contreras Varela Eduquemos con el corazón de Don Bosco MÓDULO : CIRCUITOS ELÉCTRICOS AUXILIARES DEL VEHÍCULO Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS Y ELECTRONICOS AUXILIARES DEL VEHICULO. Nombre :. Curso : 3 B 3 E LA BATERÍA La batería es uno de los componentes más importantes del auto, dado que su papel consiste en almacenar y suministrar la energía necesaria para el funcionamiento de todo el sistema eléctrico, incluyendo componentes tan significativos como el motor de partida y sistema de arranque, sistema de encendido, sistema de alumbrado, sistema de carga y sistema de accesorios. En la actualidad los automóviles vienen equipados con otros sofisticados componentes, como la estabilización electrónica, frenos ABS con distribuidor, transmisión integral permanente o el control computarizado de la inyección de gasolina. Todas estas variables, además de exigir un mayor consumo para el cual son ideales las baterías de 60 amperes, también hacen necesario un cuidado más delicado y, por lo general, a cargo de personal especializado. En los automóviles, se utilizan fundamentalmente los acumuladores de plomo, capaces de transformar la energía eléctrica en química mediante una reacción, para dejarla almacenada mientras no sea necesaria su utilización, pudiendo igualmente deshacer la reacción para obtener nuevamente energía eléctrica. Un acumulador de los usados en los automóviles está constituido por un vaso de ebonita (caucho endurecido y moldeado) o de otro material plástico resistente al ácido, en cuyo interior hay una serie de placas de plomo enlazadas entre sí por un puente o piezas de conexión formando con esto un grupo de placas negativas o positivas. Por lo general la energía eléctrica se produce mediante la combinación de dos placas metálicas (un electrodo negativo y otro positivo), que van sumergidas en una solución química (que actúa como electrolito) y están separadas entre sí por aislantes porosos, encargados de evitar sobrecargas y cortocircuitos.
LA ELECTRÓLISIS Si en un recipiente que contenga agua destilada, sumergimos dos electrodos de metal (por ejemplo platino) y se conectan a la red de alumbrado (un enchufe de la casa), intercalando entre ellos una lámpara, veremos que ésta no enciende, indicando que no hay corriente eléctrica. En estas condiciones, si se vierte en el líquido un poco de sal común, veremos que, poco a poco, va encendiéndose la lámpara, indicando que hay paso de corriente eléctrica. De esta experiencia deducimos que el agua destilada no es conductora, pero mezclada con sal sí lo es. Haciendo pasar la corriente eléctrica durante unos minutos, vemos que el agua va tomando un color verdoso, que indica la aparición de un nuevo fenómeno debido a una reacción química producida por el paso de la corriente eléctrica. A este fenómeno se le llama electrolisis y al líquido electrólito. La electrólisis es una descomposición química de un cuerpo, producido por la energía eléctrica. Un electrólito es un cuerpo que en solución acuosa se deja atravesar por la corriente eléctrica, produciéndose en su seno reacciones químicas. Los productos de estas reacciones aparecen en la proximidad inmediata de los electrodos. Si en el agua destilada se disuelve una cierta cantidad de ácido sulfúrico, se produce inmediatamente la ionización; Nota: Ion en la electrólisis es cuando aparece como resultado de la descomposición del electrólito; el que aparece en el cátodo es un catión con carga negativa, y el que aparece en el ánodo es un anión con carga positiva. Por la cual cierto número de moléculas de ácido sulfúrico (SO4H2) se separan y los átomos separados de (SO4) y de (H2) (hidrógeno) se convierten en iones, unos con carga positiva (H2) y otros con carga negativa (SO4). Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos (como muestra la figura), en el positivo (ánodo) hay una falta de electrones y en el negativo (cátodo) un exceso, debido a la diferencia de potencial aplicada.
En estas condiciones, los iones (H2) cargados positivamente, tienen falta de electrones y se dirigen al cátodo para tomarlos de él, quedando de esta forma sin carga eléctrica de ningún signo, es decir, eléctricamente neutros, convirtiéndose así de iones en átomos de hidrógeno, que son visibles en forma de burbujas gaseosas adheridas al electrodo, o que se desprenden hacia la superficie del líquido. Los aniones (SO4), cargados negativamente, tienen exceso de electrones y se dirigen hacia el ánodo para descargar allí los sobrantes. Una vez sin carga eléctrica pasan de ser iones a átomos y reaccionan con las moléculas de agua (H2O) que hay en las inmediaciones, sacándoles el hidrógeno (H2) para formar otra vez la molécula de ácido (SO4H2). El oxígeno que sobra de la molécula de agua, como no es un ión sino un átomo, se desprende en el ánodo en forma de burbujas gaseosas. Así pues, como consecuencia de todo el proceso resulta: a) El ánodo ha ganado electrones y el cátodo los ha perdido, por lo que ha habido entre ellos un movimiento de electrones, es decir, una corriente eléctrica. b) Por cada molécula de ácido sulfúrico (SO4H2) que se ha formado, ha desaparecido del electrólito un anión (SO4) y un catión (H2), por lo que inmediatamente hay otra molécula en el líquido que se ioniza, quedando en el electrólito el mismo número de iones, por lo cual, el electrólito ha quedado con la misma cantidad de ácido sulfúrico que antes. c) Como ha habido un desprendimiento de oxígeno en el ánodo (+) y de doble volumen de hidrógeno en el cátodo (-), aparentemente es como si se hubiera descompuesto el agua en sus dos elementos. Si continua el paso de corriente, sigue produciéndose el desprendimiento de oxígeno e hidrógeno, diciéndose que el agua se descompone por electrólisis.
ESTRUCTURA DE UN ACUMULADOR DE PLOMO. En la figura se ha representado una batería de acumuladores seccionada, con los distintos elementos que la componen. Podemos distinguir una caja llamada monobloque, que dividida en varios compartimientos o celdas. Como en su interior ha de llevar ácido sulfúrico, se fabrica generalmente de ebonita, a la que el ácido no ataca, aunque actualmente se emplea también el polipropileno por su menor peso y mejores características mecánicas y dieléctricas.
En el interior de cada una de las celdas, llamadas también vasos o acumuladores, se introduce una serie de placas, constituidas por un armazón de aleación de plomo y antimonio en forma de rejilla (como lo indica la figura), en cuyos huecos va alojada la materia activa. La rejilla desempeña también la misión de distribuir la corriente uniformemente en toda la placa. De las placas que hay en un acumulador, unas son positivas y otras negativas, diferenciándose entre sí por su color. La materia activa que rellena las rejillas de las placas positivas es peróxido de plomo (PbO2) y la de las placas negativas es plomo esponjoso (Pb). Todas las placas positivas se unen entre sí, en sus patillas, por mediación de un puente o conector y lo mismo se hace con las negativas, intercalándose las unas entre las otras como muestra la figura. En todos los acumuladores, y por razones de eficacia, hay siempre una placa más negativa que positiva, con el fin de asegurar que
ninguna zona de la placa positiva quede sin aprovechamiento. El conjunto de placas así formado se aloja en el vaso, sumergido en un líquido llamado electrólito compuesto por ácido sulfúrico y agua destilada (H2SO4 + H2O). Entre una placa positiva y las negativas contiguas, se interpone un aislante o separador para evitar el contacto eléctrico entre ellas, impidiendo así la conducción metálica entre las placas de distinta polaridad y permitiendo, gracias a su porosidad, la conducción electrolítica libre, es decir, que el electrólito pueda atravesar su estructura para reaccionar químicamente con las placas. Aparte de estas consideraciones, los separadores deben ser resistentes a la acción corrosiva del ácido. Los elementos o celdas quedan cubiertos por una tapa, del mismo material del monobloque, que lleva un agujero en cada extremo, por los que salen al exterior los dos bornes del acumulador. En caso vaso se prevé un orificio central de llenado, que puede entrar en él a presión o roscado. Dicho tapón tiene un orificio que permite la salida al exterior de los gases que se producen en el interior de los elementos como consecuencia de las reacciones de carga y descarga. Debajo de la tapa se disponen los puentes de conexiones entre los elementos como lo indica la figura; los cuales están colocados de manera que dichos elementos queden conectados en serie, es decir, positivo de un elemento con negativo del siguiente, etc. Estos puentes de conexiones deben ser lo bastante resistente para poder soportar sin sobrecalentarse el paso de las altas corrientes requeridas en el arranque. La conexión de elementos en serie, donde el polo negativo del primero se conecta al positivo del siguiente, y así sucesivamente, implica que se sume la tensión de todos los elementos. En el caso representado
en la figura, dado que cada elemento de un acumulador de plomo tiene la propiedad de almacenar energía eléctrica a una tensión de 2 volts, la batería formada es de una tensión de 6 volts cuando se unen tres elementos y de 12 volts si se emplean seis elementos. La barra de unión de las placas positivas del primer elemento se une al borne positivo de la batería, mientras que la barra de unión de las placas negativas del último elemento está unida al borde negativo. Cada uno de estos bornes sobresale de la tapa de cierre superior y son de un diseño especial, cónicos y de dimensiones estandarizadas, siendo el borne positivo ligeramente más ancho que el negativo para evitar la posibilidad de conectar la batería con los bornes cambiados. Para que las placas de un acumulador puedan generar energía, es necesario que se encuentren bañadas en ácido sulfúrico, dado que éste suministra el sulfato que, al combinarse con la materia activa de las placas, produce la reacción química necesaria para obtener dicha energía. El electrólito es el conductor de la corriente entre las placas y por ello su nivel debe sobrepasarse a éstas en un centímetro al menos. CARGA DE UNA BATERÍA Cuando una batería está cargada, la materia activa de las placas positiva es peróxido de plomo (PbO2) y la de las negativas plomo esponjoso (Pb), tal como muestra la figura. El electrolito es ácido sulfúrico disuelto en agua destilada (SOH2), cuya densidad es de 1,280. Cuando conectamos una lámpara entre los bornes de la batería, se obtiene una corriente eléctrica que circula desde el borne positivo al
negativo a través de la lámpara, cerrándose el circuito por el interior de la batería a través del electrolito. El paso de corriente por éste, produce la disociación (ruptura de una molécula en átomos o moléculas más sencillos) del ácido sulfúrico (SO4H2), de manera que el ión sulfato (SO4) pasa a combinarse en las placas. En la positiva lo hace con el peróxido de plomo, que se transforma en sulfato de plomo (SO4Pb), el cual queda en esta placa, liberándose el oxígeno (O). En la placa negativa, el plomo se combina con el sulfato (SO4), formándose también sulfato de plomo (SO4Pb) y liberándose el hidrógeno (H). El oxígeno e hidrógeno liberados en ambas placas se combinan para formar agua (H2O), con lo cual, durante este proceso va quedando menos ácido y más agua en el electrolito, disminuyendo su densidad, y más sulfato de plomo en las placas. BATERÍA DESCARGADA Cuando el acumulador está descargado, (como lo muestra la figura), la materia activa de las placas es en gran parte sulfato de plomo y el electrólito está constituido por una disolución de ácido sulfúrico, cuya densidad ha disminuido aproximadamente a 1,150. Si ahora conectamos un generador entre los bornes de la batería, tal como la figura, se establece una corriente de carga que va desde el generador hasta el borne positivo, y de aquí al negativo a través del electrólito, cerrando el circuito con el borne negativo del generador. El paso de esta corriente, ahora de sentido contrario al anterior, hace que en las placas se produzca la siguiente transformación: En la positiva, el sulfato de plomo (SO4Pb) se transforma en peróxido de plomo (PbO2) y en la negativa en plomo esponjoso (Pb). Ambas placas ceden sulfato (SO4) al electrólito, con lo que la densidad de éste aumenta. Al final del proceso de carga, se produce una electrólisis del agua y se desprenden
burbujas de oxígeno en la positiva y de hidrógeno en la negativa. Esta pérdida de agua no se recupera más que por adiciones periódicas. Finalizado el proceso de carga, la batería queda nuevamente como al principio se describió. Esta constitución específica de las placas (peróxido de plomo en la positiva y plomo esponjoso en la negativa) da como resultado que aparezca entre ellas una diferencia de potencial eléctrico, que en este caso particular se cifra en 2 volts. Cuando se cambia la estructura química de las placas con la descarga, la tensión eléctrica va disminuyendo hasta anularse cuando las dos placas tienen la misma estructura (sulfato de plomo). De lo tratado hasta aquí deducimos: a) La concentración o densidad del electrolito varía con arreglo al estado de carga de la batería. Al descargarse se rebaja y al cargarse se recupera. b) Cuando la descarga se prolonga en exceso, es muy posible que no habiendo suficiente plomo esponjoso en las placas negativas, se forme sulfato a costa del armazón o enrejillado de las placas, diciéndose entonces que la batería está sulfatada. c) Si es el proceso de carga el que se prolonga en exceso, la electrólisis del agua que se produce al final de la carga sería importante, saliendo las burbujas de agua en forma de vapor por los respiraderos de los tapones, con peligro de explosión. Al mismo tiempo, el oxígeno liberado, no encontrando ya bastante plomo en la placa positiva con el que combinarse, lo hará con el de su armazón, oxidándolo, con lo que estas placas se deforman y deshacen. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LAS BATERÍAS. Fundamentalmente, un acumulador se define por su tensión nominal y por la cantidad de electricidad capaz de suministrar. Estas dos características están relacionadas directamente con la construcción del acumulador, en cuanto se refiere al tipo de materiales empleados y la cantidad de sustancias activa utilizada. a) Tensión nominal La tensión total de una batería es el producto de la tensión de un elemento por el número de éstos conectados en serie que ella comporta. La tensión de un elemento es un valor fijo, que en los
acumuladores de plomo puede alcanzar los 2,2 Volts en la plena carga, manteniéndose sensiblemente constante a circuito abierto, es decir, sin que exista corriente de carga o de descarga. Ello significa que para una batería de seis elementos, la tensión en bornes es de 2,2 x 6 = 13,2 volts. Sin embargo, se considera que un elemento tiene una tensión nominal de 2 volts, por lo cual se dice que las baterías de seis elementos son de una tensión nominal de 12 volts. b) Capacidad de la batería La capacidad de una batería puede definirse como la intensidad de corriente que una batería puede proporcionar ya que ello determina la capacidad de almacenamiento que la batería tiene. Este factor sí que está relacionado con el número de placas que el acumulador tiene y también con la medida de la superficie de las placas. Cuanto mayores son o/y en mayor número, mayor es la capacidad de la batería. Esta capacidad se mide en Amperes/hora (Ah). Una batería que tenga una capacidad de 45 Ah quiere decir que, una vez cargada completamente necesitaría 45 horas para descargarse proporcionando una corriente constante de 1 amper. La capacidad de una batería depende de varios factores, de entre los que podemos destacar las dimensiones de las placas, el número de ellas por elemento, cantidad de materia activa que contienen, volumen del electrólito y densidad del mismo estando el acumulador cargado, temperatura del electrólito, etc. La capacidad de la batería que equipa a un vehículo, está determinada fundamentalmente por el problema de arrancar el motor en tiempo frío. Esta capacidad viene indicada por la última cifra de la denominación de la batería, grabada en su etiqueta identificativa, por ejemplo 12V 84Ah 280 A Para conservar las baterías en perfecto estado de funcionamiento, deben tenerse presentes algunas normas que pasamos a enumerar: MANTENIMIENTO DE LAS BATERÍAS La vida o duración de una batería dependerá, además de su diseño y construcción, del uso y cuidados que reciba durante su servicio. Se considera que una batería de arranque, a la que se dé un uso adecuado y un correcto mantenimiento, tendrá una vida útil de, al menos, cuatro o cinco años. Cuando el nivel del electrólito se encuentre bajo, se corregirá añadiendo agua destilada hasta que el nivel sea de uno a dos centímetro por encima de las placas. En muchos casos, el
orificio donde se aloja el tapón dispone de un asiento plano interior de plástico que determina el nivel óptimo del electrólito. Nunca debe rellenarse con ácido, pues éste no se evapora y una mayor proporción de la debida sería perjudicial, ya que una concentración alta del electrólito puede carbonizar y desintegrar los separadores, en cuyo caso se produce el cortocircuito. No debe emplearse para rellenar baterías más que agua destilada, pues las impurezas que contiene el agua natural puede corroer las placas, acelerar la formación del sulfato de plomo o depositarse en los poros de las placas, acortando el tiempo útil de vida de la batería. Tan perjudicial es no mantener el nivel del electrólito, como añadir agua en exceso, pues en este caso, a causa de los movimientos de la batería con el vehículo y la salida de gases, parte del electrólito saldría al exterior, dañando soportes y elementos contiguos y sulfatando bornes y terminales. Deberán mantenerse limpios los respiraderos de los tapones de llenado, para permitir la libre evacuación de los gases que se producen como consecuencia de las reacciones de carga y descarga. Los bornes deben limpiarse periódicamente y engrasarlos con vaselina, cuidando además, que los terminales estén en perfectas condiciones. Es importante mantener la batería bien sujeta en su alojamiento en el vehículo, evitando que se golpee con las vibraciones producidas con la marcha, pues se producen desprendimiento de materia activa que provocan cortocircuitos. Nunca deben dejarse encima de la batería útiles ni herramientas por el peligro de cortocircuito que se ocasiona. Deberá mantenerse limpia la parte superior del acumulador. La suciedad y humedad en esta zona propicia las fugas de corriente, que tienen como consecuencia la corrosión de los bornes y la auto descarga de la batería.
COMPROBACIÓN DE LA DENSIDAD DEL ELECTROLITO Ya hemos visto que la reacción química que se produce en el interior de los acumuladores cuando cargan o ceden energía eléctrica determina un cambio químico en la composición del electrolito. Basándonos en este fenómeno podemos conocer el estado de carga de una batería si comprobamos el peso específico del electrolito. En efecto: cuando un acumulador se encuentra totalmente cargado, el peso específico del electrolito es máximo y disminuye a medida que el acumulador se descarga. Nota: Cuando se mide la densidad en realidad se está midiendo el peso del ácido. Aunque la densidad queda afectada por la temperatura exterior y también por ciertas características de la batería, puede sin embargo establecerse, de una manera general, el estado de carga de cada uno de los acumuladores, a 20ºC, de la siguiente forma: Totalmente cargado... 1,30 A media carga... 1,23 Totalmente descargado... 1,11 El modo correcto de medir la densidad del electrolito es con un densímetro. El estado de carga de una batería también puede medirse con un voltímetro, pero la medición con un densímetro tiene mayores ventajas porque conocemos así el estado de cada uno de los acumuladores que componen la batería. Esto es importante porque resulta muy frecuente que una batería funcione con dificultades pese a que cinco de sus acumuladores se hallan en buen estado pero uno de ellos está deteriorado. Esta característica no la delata el voltímetro. También tenemos la ventaja de poder observar el estado del electrolito. Este debe hallarse limpio y en él no deberán flotar partículas ni impurezas y deben dar siempre altos índices de densidad. La lectura debe ser igual para todos los elementos o con muy pequeñas diferencias. Si estas diferencias son importantes demostrarán la irregularidad del estado de cada uno de los acumuladores. Nota: Al sacar el electrolito con el densímetro para hacer la comprobación de la densidad no hay que olvidar que el líquido es muy rico en ácido sulfúrico y que por lo tanto puede agujerear fácilmente la ropa, dañar la piel y es muy peligroso si cae en los ojos. Hay que conseguir que no se derrame ni una gota.
EVOLUCIÓN DE LAS BATERÍAS DE ARRANQUE En la actualidad son comercializadas las baterías sin mantenimiento, que constituyen la generación más avanzada en cuanto a tecnología y aportan las siguientes ventajas: No requieren adición alguna de agua a lo largo de toda su vida útil. Producen una corrosión mínima de los bornes de conexión. Tienen una vida de almacenaje más larga (18 meses aproximadamente), siendo capaces de arrancar el vehículo al instalarla sin necesidad de carga. Eliminan la auto descarga al máximo. Suministran mayor potencia. Estas ventajas han sido posibles gracias a la evolución tecnológica en la fabricación de placas y separadores fundamentalmente, acompañadas por otras modificaciones de menor importancia. Las baterías sin mantenimiento disponen de una caja de polipropileno compacto de pequeño espesor que permite una gran capacidad de los elementos para alojar mayor cantidad de placas y de electrólito, lo que aumenta la potencia para un mismo volumen. En su interior se instalan las placas, cuyas rejillas están fabricadas de una aleación de plomo y calcio, en lugar del típico antimonio. De esta forma, se eliminan los efectos de auto descarga ya conocidos, al tiempo que se reduce la formación de vapores al final de la carga de una manera importante y disminuye, también, la resistencia interna para aumentar la capacidad de arranque en frío. Los elementos son cerrados por una tapa única, provista de un sistema especial de ventilación que retiene al máximo los vapores producidos en las reacciones de carga y descarga, sin salir al exterior proyecciones de ácido que serían causa de corrosiones en bornes, conexiones y partes metálicas adyacentes. Un dispositivo antideflagrante impide la propagación de toda llama o chispa al interior de la batería.
CUESTIONARIO GUIA LA BATERÍA INSTRUCCIONES: El presente cuestionario es un complemento de la guía La batería. Es por eso que antes de contestar este cuestionario realice una lectura comprensiva en donde podrán subrayar o remarcar los contenidos que estimen interesantes para comprender, relacionar y hacer un diagnostico de la batería de acumuladores. Luego de esta lectura comprensiva responder algunas preguntas para una mejor comprensión de su funcionamiento y características, además de su mantención de las baterías. PREGUNTAS : 1. En qué consiste la batería?. 2. En que se utiliza fundamentalmente los acumuladores de plomo?. 3. Cómo se produce la energía eléctrica en la batería?. 4. Qué es el electrolito?. 5. Explique cómo entiende la composición de la molécula de ácido sulfúrico : (SO 4 H 2 ). 6. Por qué se dice que el cátodo es un catión con carga negativa?. 7. En que se convierten los átomos de la molécula de ácido sulfúrico. (SO 4) y de (H 2 ). 8. Cómo están constituidos los iones (H 2 ). 9. Cómo están constituidos loa aniones (SO 4 ). 10. Qué es la ebonita y para qué sirve?. 11. A que se se llaman vasos?. 12. A que se le llaman placas y cuál es la finalidad?. 13. Cuál es la finalidad de la rejilla?. 14.Defina las características de las placas positivas y placas negativas. 15. Por qué las baterías tiene una placa más positiva que negativa?. 16. Para qué se utilizan los separadores entre las placas?. 17. Cuales son las principales características de los separadores?. 18. Por qué se construye más ancho el borne positivo que el negativo en las baterías?. 19.Explique con una transparencia el proceso de la carga de una batería.. 20.Explique con una transparencia el proceso de una batería descargada. 21. A que se le llama tensión nominal? 22. Qué entiende por capacidad de la batería 23.Nombre cuatro cuidados que se debe tener con las baterías sin mantenimiento 24. Por qué es necesario medir con un densímetro la carga de la batería?