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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL

Principios de magnetismo

El magnetismo es una fuerza que se utiliza para producir gran parte de la energía eléctrica en el mundo. También se emplea para generar la electricidad necesaria para recargar la batería de un vehículo, accionar el motor de arranque y producir señales para diversos sistemas. Un imán es un material que atrae hierro, acero y algunos otros materiales. Como el magnetismo está estrechamente relacionado con la electricidad, muchas de las leyes que rigen la electricidad también se aplican al magnetismo.

Hay dos tipos de imanes usados en automóviles: imanes permanentes y electroimanes. Los imanes permanentes no requieren ninguna fuerza o potencia para mantener su campo magnético. Los electroimanes dependen del flujo de corriente eléctrica para producir y, en la mayoría de los casos, mantener su campo magnético.

Imanes

Todos los imanes tienen polaridad. Un imán que se deja mover libremente se alineará norte-sur: un extremo apuntará al norte y el otro al sur, buscando cada uno su polo. Los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. La atracción magnética es más fuerte en los polos.

La densidad de flujo magnético es una medida de la concentración de las líneas de fuerza. Un imán fuerte produce muchas líneas de fuerza y un imán débil produce menos.

Las líneas de fuerza son invisibles: salen del imán por el polo norte y vuelven a entrar por el polo sur. Dentro del imán, las líneas de fuerza se desplazan del polo sur al polo norte.

El campo de fuerza (o campo magnético) es todo el espacio fuera del imán que contiene líneas de fuerza magnética. Las líneas magnéticas de fuerza penetran todas las sustancias; no se conoce un aislamiento eficaz contra ellas. Las líneas de fuerza pueden desviarse solo por otros materiales magnéticos o por otro campo magnético.

Electromagnetismo

El electromagnetismo se basa en que, siempre que una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, se forma un campo magnético alrededor de él. El número de líneas de fuerza y la intensidad del campo magnético producido son directamente proporcionales a la corriente.

La dirección de las líneas de fuerza está determinada por la regla de la mano derecha. Usando la teoría convencional de que la corriente fluye de positivo a negativo, se sujeta el conductor con la mano derecha: el pulgar apunta en la dirección de la corriente y los dedos indican el sentido de las líneas de fuerza magnética.

André-Marie Ampère señaló que una corriente que fluye en la misma dirección a través de dos conductores cercanos hace que estos se atraigan. Si se invierte la corriente en uno de los conductores, se repelen. También descubrió que, si un conductor se enrolla formando una bobina, el campo magnético alrededor del conductor se combina y produce un campo de mayor intensidad, con polos norte y sur definidos. Formar espiras duplica la densidad de flujo donde el conductor corre paralelo a sí mismo.

A medida que se agregan más espiras, los campos de cada vuelta se suman e incrementan la densidad de flujo. Para intensificar aún más el campo magnético, se puede colocar un núcleo de hierro en el interior de la bobina. El hierro dulce tiene alta permeabilidad y baja reluctancia, lo que proporciona un excelente camino para el flujo magnético a través del centro de la bobina.

Fig. Un campo magnético rodea a un conductor por el que circula corriente.

Fig. Una espira de conductor aumenta el campo magnético.

La intensidad de campo de una bobina electromagnética se ve afectada por los siguientes factores:

1. La cantidad de corriente que fluye a través del conductor.

2. El número de devanados o vueltas.

3. El tamaño, la longitud y el tipo de material del núcleo.

4. La dirección y el ángulo con que se cortan las líneas de fuerza.

La intensidad del campo magnético se mide en amperios-vueltas:

amperios-vueltas = amperios × número de vueltas

Se calcula multiplicando la corriente (en amperios) que circula por una bobina por el número de vueltas completas del conductor. Por ejemplo, una bobina de 1000 vueltas con 1 A tendrá una fuerza de campo de 1000 amperios-vueltas. Tendría la misma intensidad de campo que una bobina de 100 vueltas con 10 A.

Teoría de la inducción

La electricidad puede producirse por inducción magnética. La inducción ocurre cuando un conductor se mueve a través de líneas de fuerza magnéticas o cuando un campo magnético se mueve a través de un conductor. Se crea una diferencia de potencial entre los extremos del conductor y se induce un voltaje. Este voltaje existe solo cuando el campo magnético o el conductor están en movimiento.

El voltaje inducido puede incrementarse aumentando la velocidad con la que las líneas de fuerza cortan al conductor, o aumentando el número de conductores cortados.

Este principio está detrás del funcionamiento de los sistemas de encendido, motores de arranque y sistemas de carga del automóvil.

Un dispositivo de inducción común es la bobina de encendido. A medida que aumenta la corriente, la bobina alcanza un punto de saturación: la fuerza magnética se estabiliza y la corriente deja de aumentar. Las líneas de fuerza, que representan energía almacenada, decaen al retirar el voltaje aplicado. Cuando decaen, la energía magnética regresa al conductor como energía eléctrica.

Fig. Mover un conductor a través de un campo magnético induce una diferencia de potencial eléctrico.

La inducción mutua se usa en bobinas de encendido, donde un campo magnético rápidamente cambiante en los devanados primarios crea un voltaje en el devanado secundario.

Si se induce un voltaje en los conductores de una bobina cuando la corriente se conecta o desconecta, se denomina autoinducción. La corriente inducida será opuesta a la corriente aplicada y tiende a reducir la variación del campo. La autoinducción se rige por la ley de Lenz, que establece: una corriente inducida fluye en dirección opuesta al cambio del campo magnético que la produjo.

Fig. La inducción mutua crea una corriente eléctrica en la bobina 2 cuando se conmuta la corriente en la bobina 1.

La autoinducción generalmente no se desea en circuitos automotrices. Por ejemplo, al abrir un interruptor, la autoinducción tiende a mantener la corriente en el mismo sentido porque, al colapsar el campo magnético, se induce un voltaje en el conductor.

De acuerdo con la ley de Lenz, el voltaje inducido tiende a oponerse a un cambio en el flujo de corriente. La autoinducción puede provocar arco eléctrico en un interruptor abierto; el arco puede saltar momentáneamente y permitir que el circuito siga funcionando un corto tiempo, además de quemar los contactos.

La autoinducción se presenta comúnmente en componentes que contienen bobinas o motores eléctricos. Para reducir el arco en los contactos, se puede conectar un condensador o un diodo de bloqueo (o de rueda libre) en el circuito. El condensador absorbe los picos de alto voltaje y ayuda a evitar el arco. Un diodo conectado en paralelo con la bobina permite derivar la corriente de autoinducción sin que pase por el interruptor.

La inducción magnética también es la base de un generador y de muchos sensores actuales. En un generador, un campo magnético rota dentro de un conjunto de conductores; al cruzar los conductores, se induce un voltaje. La magnitud del voltaje inducido depende de la velocidad de rotación, la intensidad del campo y la cantidad de conductores cortados.

Los sensores magnéticos se utilizan para medir velocidades (motor, vehículo y cigüeñal). Suelen usar un imán permanente. La velocidad de rotación se determina por el paso de dientes o filos dentro y fuera del campo magnético. Al entrar y salir un diente, cambia la intensidad del campo y se induce una señal de voltaje que se envía a un dispositivo de control para su interpretación.

Generadores

El generador aplica el principio de la inducción electromagnética para convertir la energía mecánica, suministrada por el motor, en energía eléctrica. El generador repone en la batería la energía usada para el arranque. Que el sistema eléctrico sea alimentado por el generador, por la batería o por ambos depende de las condiciones de funcionamiento del generador.

Los dos tipos de generadores son:

El generador de corriente continua suministra energía eléctrica directamente a la batería y al sistema eléctrico, o a través de dispositivos de regulación.

El generador de corriente alterna (alternador) cumple la misma función, pero como solo la corriente continua carga una batería, se usa un rectificador para convertir corriente alterna en continua.

Generador de corriente continua (DC)

El generador de corriente continua (fig. 2-12) consiste esencialmente en una armadura (inducido), un bastidor de campo, bobinas de campo y un conmutador con escobillas para establecer contacto eléctrico con el elemento giratorio. El campo magnético se produce normalmente por electroimanes (polos) magnetizados por la corriente que circula por las bobinas de campo. Las piezas polares de hierro dulce (zapatas polares) forman el circuito magnético entre polos. Aunque pueden diseñarse con cualquier número par de polos, los de dos y cuatro polos son los más comunes. En general, las bobinas de campo están conectadas en serie. En el tipo de dos polos, el circuito magnético atraviesa solo una parte del núcleo del inducido; por ello, el inducido se construye según el número de polos del campo, ya que se genera corriente cuando la bobina del inducido se mueve a través de cada circuito magnético.

Figura 2-12. Vista en sección transversal de un generador de corriente continua.

La corriente se obtiene de las bobinas de la armadura mediante escobillas (normalmente de carbón) que hacen contacto por fricción con el conmutador o colector. El colector está formado por segmentos de cobre aislados (delgas) montados en un extremo de la armadura; cada segmento se conecta a una o más bobinas del inducido. Las bobinas de la armadura se conectan a los circuitos externos (batería, luces o encendido) a través del conmutador y las escobillas, permitiendo que la corriente inducida fluya hacia el exterior.

Hay dos tipos de circuitos de campo, determinados por el punto en que el circuito de campo está a masa:

Un circuito, identificado como circuito “A”, deriva la corriente de campo desde las escobillas aisladas y realiza la conexión a masa del devanado de campo externamente, en el regulador.

En el otro, el circuito “B”, la corriente de campo se deriva del devanado serie del inducido, en el regulador, hacia los devanados de campo del generador, con conexión a masa internamente dentro del generador.

Los tres factores básicos de diseño que determinan la salida del generador son: (1) la velocidad de rotación del inducido, (2) el número de conductores de la armadura y (3) la intensidad del campo magnético. Cualquiera de estos factores podría usarse para controlar tensión y corriente, pero el método más simple es regular la intensidad del campo magnético y, por lo tanto, limitar la salida del generador.

REGULACIÓN DE LA SALIDA DEL GENERADOR

Los campos del generador dependen de la corriente de la armadura para su magnetización. Como la corriente desarrollada aumenta en proporción directa a la velocidad, los campos se incrementan a medida que aumenta la velocidad y la armadura genera más corriente. Las variaciones extremas de velocidad del motor hacen necesario regular la salida del generador para evitar sobrecargas excesivas de corriente o voltaje. En la unidad de medida CESE, una corriente de carga superior a 12–15 A es perjudicial para una batería completamente cargada si se mantiene durante mucho tiempo.

Los reguladores son de dos tipos: reguladores de voltaje y reguladores de corriente. El regulador de voltaje mantiene la tensión del sistema y evita excesos que pueden dañar equipos eléctricos y sobrecargar la batería. El regulador de corriente limita la corriente para que la salida no exceda la capacidad nominal del generador.

La regulación de tensión es suficiente desde el punto de vista de la batería, pero si la batería está muy descargada o existe una carga eléctrica pesada, la corriente elevada podría sobrecargar al generador. Por ello, se emplean ambos controles (corriente y tensión) en el sistema de carga.

En muchas aplicaciones, el conjunto regulador consta de un relé de corte, un regulador de corriente y un regulador de voltaje (fig. 2-13). Cada unidad tiene su propio núcleo, bobina y contactos. El conjunto proporciona control completo del generador tipo derivación bajo todas las condiciones. El regulador de corriente o el de tensión pueden operar en distintos momentos, pero no ambos simultáneamente.

Cuando la demanda eléctrica es alta y la batería está baja, el regulador de corriente actúa para evitar que la salida exceda el valor seguro. En ese caso, el voltaje no alcanza para accionar el regulador de tensión. Si la demanda disminuye o la batería aumenta su carga, el voltaje sube y el regulador de tensión entra en operación, reduciendo la salida del generador; entonces deja de actuar el regulador de corriente. La fig. 2-14 muestra un diagrama típico de un circuito de carga.

Figura 2-13. Montaje del regulador con la tapa quitada.

En algunas aplicaciones especiales se utiliza un regulador combinado corriente-tensión, que integra funciones en una sola unidad (normalmente dos unidades internas en lugar de tres).

Los reguladores descritos se conocen como reguladores electromagnéticos de contacto vibratorio. Sus contactos pueden abrir y cerrarse hasta 300 veces por segundo para lograr la regulación deseada.

El regulador de tipo transistor se utiliza en vehículos más modernos. No tiene partes móviles y se compone de transistores, diodos, condensadores y resistencias. Algunos modelos incorporan dos condensadores de filtro, mientras que otros solo uno.

Los ajustes, cuando existan, deben realizarse únicamente siguiendo instrucciones del fabricante y con el equipo de prueba recomendado. El método de prueba y error no es adecuado para la reparación.

MANTENIMIENTO DEL GENERADOR

Los requisitos de salida de los generadores automotrices han aumentado considerablemente en los últimos años debido a la creciente cantidad de accesorios eléctricos (radios de dos vías, radioteléfonos, calefactores de alta demanda, acondicionadores de aire, etc.). Un generador de corriente continua convencional, para cubrir alta y baja velocidad, requeriría mayor tamaño, lo que limita su aplicación. Por ello se desarrolló el alternador, que, con un puente rectificador, puede producir corriente suficiente en un rango amplio de velocidad (desde ralentí hasta máxima velocidad).

El generador de corriente continua requiere limpieza periódica, lubricación, inspección de escobillas y conmutador, y verificación de la tensión de los resortes de escobillas. Además, las conexiones eléctricas deben mantenerse limpias y firmes para asegurar contacto metal con metal.

Algunos generadores tienen tapones engrasadores. Lubríquelos con unas gotas de aceite de peso medio en cada ciclo de mantenimiento. No lubrique en exceso: el aceite puede llegar al conmutador y afectar el contacto de las escobillas.

Inspeccione visual y manualmente el estado de cables, pinzas, cableado y conexiones. Verifique que la polea de transmisión esté bien ajustada al eje, que la correa esté en buen estado y correctamente tensada, y que el generador esté firmemente montado con buena conexión a masa.

En generadores con banda de cobertura, retírela e inspeccione si hay pequeños glóbulos de soldadura en su cara interna. Si aparecen, el generador pudo haber producido exceso de corriente y se derritió la soldadura de las conexiones del inducido a las delgas; esto requiere retirar el generador para reparar o reemplazar el inducido.

Si no hay soldadura, inspeccione el colector, las escobillas y las conexiones. Si el colector está sucio o ligeramente rugoso, puede suavizarse con papel de lija 00. NUNCA use papel de esmeril en el colector.

Luego de lijar, sople aire comprimido para eliminar suciedad y partículas. Levante las escobillas en el portaescobillas y verifique que se desplacen libremente y que la tensión sea suficiente para evitar arcos y quemaduras en conmutador y escobillas. Si las escobillas están desgastadas hasta la mitad de su longitud original, reemplácelas.

Figura 2-14. Diagrama esquemático de una unidad de carga típica.

La mayoría de los generadores actuales no están equipados con bandas de cobertura. Pueden tener ranuras abiertas sobre el colector o estar completamente sellados. En los de ranuras abiertas, el conmutador puede lijarse a través de las ranuras, pero la limpieza completa de partículas requiere desmontaje. En unidades selladas, el mantenimiento solo puede realizarse tras el desmontaje.

REPARACIÓN DEL GENERADOR

Los generadores se desmontan solo cuando deben realizarse reparaciones importantes (fig. 2-15). Fuera de la limpieza del colector y el reemplazo de escobillas, suelen requerir pocas reparaciones durante su vida útil normal. Sin embargo, el descuido puede provocar fallas que no pueden resolverse en campo.

Antes de retirar un generador sospechoso, compruebe la batería (como se explicó anteriormente) y la salida del generador. Consulte el manual del fabricante para las especificaciones correctas y los procedimientos de prueba. Si el generador funciona bien y batería, cableado y conexiones están correctos, el regulador de tensión puede estar defectuoso y, en muchos casos, se recomienda reemplazarlo. Si el generador no entrega los amperios especificados a la velocidad indicada, debe retirarse para reparación o sustitución.

Figura 2-15. Vista desmontada de un generador de dos escobillas.

Pruebas de bobinas de campo

Para probar el campo del generador, desconecte los extremos a masa del bastidor. Coloque una punta del circuito de lámpara de prueba en un terminal extremo de las bobinas de campo y la otra punta en el extremo conectado a tierra. Si la lámpara se enciende, el circuito de campo está completo. Sin embargo, debido a la resistencia del devanado, la lámpara no debe brillar con intensidad normal. Un brillo normal puede indicar un cortocircuito entre espiras. Si la lámpara no se enciende, el campo está abierto.

Para detectar una bobina de campo conectada a masa, coloque una punta en el terminal de campo y la otra en el bastidor del generador (fig. 2-16). Si la lámpara se enciende, el campo está a tierra; esto puede deberse a cables pelados en los extremos de la bobina.

Figura 2-16. Prueba de puesta a tierra de bobinas de campo.

Conceptos destacados :