manual del estudiante de electricidad

Objetivo Al completar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Demostrar que entiende la teoría eléctrica básica eligiendo las respuestas correctas en un examen de selección múltiple.

Fig. 1.1.1

Introducción ¿Qué es la electricidad? Decimos que las linternas, los taladros eléctricos, los motores, etc., son componentes "eléctricos". Sin embargo, frecuentemente nos referimos a los computadores, televisores, etc., como componentes "electrónicos". ¿Cuál es la diferencia? Cualquier componente que funcione con electricidad es un dispositivo eléctrico, incluyendo las linternas y los taladros eléctricos, pero no todos los componentes eléctricos son electrónicos. El término electrónico se refiere a dispositivos que contienen semiconductores, y se conocen como "dispositivos electrónicos", debido a que dependen para su operación de un flujo de electrones.

Lección 1: Cómo Funciona la Electricidad

Lección 1: Cómo Funciona la Electricidad

Unidad 1 Lección 1

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Fundamentos de los Sistemas Eléctricos

Para entender mejor el funcionamiento de la electricidad, es necesario tener un conocimiento básico de la estructura atómica fundamental de la materia. La materia tiene masa y ocupa espacio. La materia toma varias formas o estados, tales como sólido, líquido y gaseoso. Este curso suministrará al técnico Caterpillar la comprensión mínima de los principios teóricos necesarios que sirvan de base para estudiar y trabajar con circuitos y componentes eléctricos. Materia y elementos Definimos la materia como cualquier cosa que ocupa espacio, y que - por acción de la gravedad - tiene peso. La materia consta de partículas extremadamente pequeñas, agrupadas para formar átomos. Existen en forma natural cerca de cien átomos diferentes. Un elemento es la agrupación de átomos de un mismo tipo y se define como una sustancia que por acción química no puede descomponerse más. La mayoría de los elementos se encuentran en la naturaleza, como por ejemplo: cobre, plomo, hierro, oro y plata. Otros elementos (aproximadamente catorce) han sido producidos en el laboratorio. Los elementos pueden transformarse en otros elementos sólo por acción de una reacción atómica o nuclear. Sin embargo, la combinación de elementos produce la gran cantidad de compuestos comunes a nosotros todos los días. El átomo es la partícula más pequeña de un elemento, que conserva las características del elemento. La palabra “átomo” es de origen griego y significa “partícula demasiado pequeña para ser subdividida”. Atomos Aunque nadie ha visto un átomo, es una estructura ideal que se ajusta a la evidencia experimental que se ha medido con exactitud. Se han determinado el tamaño y la carga eléctrica de las partículas invisibles de un átomo por el grado de desviación que experimentan cuando se aplican al átomo fuerzas conocidas. Niels Bohr en 1913, propuso el “modelo atómico” que se asemeja al modelo actual del “sistema solar”, con el Sol como su centro y los planetas girando a su alrededor.

Unidad 1 Lección 1

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N UC LEO

++ + ++ ++ ++

ELECTRO NES

Fig. 1.1.2 Electrones

El centro de un átomo se conoce como “núcleo” y está compuesto principalmente por partículas llamadas protones y neutrones. Girando alrededor del núcleo hay partículas pequeñas llamadas electrones. Estos electrones tienen una masa mucho menor que un protón o un neutrón. Normalmente, un átomo tiene en el núcleo un número de protones e igual número de electrones que giran a su alrededor. El número de protones o de electrones presentes en un átomo se llama "número atómico". El "peso atómico" de un elemento es el número total de partículas - protones y neutrones - en el núcleo. N U M E RO D E E L E C T RO N E S E N O R B ITA 1

2

NU CLE O (2 P R O T O N E S 2 NE UTRO NES)

E L E C T R O N E S E N O R B ITA 2 P 2 N +

1P +

C A PA N UCL EO (1 P R O T O N )

ATO M O DE H IDRO GEN O

ATO M O D E HELIO

(a )

(b)

Fig. 1.1.3 Neutrón, protón y electrón

La figura 1.1.3 muestra la estructura de dos de los átomos más simples. La figura 1.1.3(a) es un átomo de hidrógeno, y contiene en su núcleo un protón en equilibrio con un electrón en su órbita o capa. El número atómico de un átomo de hidrógeno es 1. La figura 1.1.3(b) muestra un átomo simple de helio, que tiene 2 protones en su núcleo y que están en equilibrio con 2 electrones en órbita. El número atómico del helio es 2 y su peso atómico es 4 (2 protones + 2 neutrones). Los científicos han descubierto otras partículas en el átomo, pero para propósito de este curso de electricidad básica, estudiaremos solamente tres partículas: electrones, protones y neutrones. Para un mejor entendimiento de la electricidad básica usaremos como ejemplo un átomo de cobre.

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1 18 8

PR IM ERA C APA 2

N UC LEO (29 P ROTONES 35 NEUTRO NES)

29 P 35 N

SEG UNDA CA PA

TER CERA C APA NUM ERO ATO M ICO =29 PES O ATO M ICO = 64

C UA RTA C APA

Fig. 1.1.4 Atomo de cobre

La figura 1.1.4 muestra un átomo típico de cobre. El núcleo del átomo no es más grande que un electrón. El núcleo del átomo de cobre tiene 29 protones (+) y 35 neutrones. Girando alrededor del núcleo hay 29 electrones (-). El número atómico del átomo de cobre es 29 y su peso atómico es 64. ¿Qué sucede cuando los extremos de un cable de cobre se conectan a una fuente positiva y negativa, por ejemplo, a una batería?

CARG A S N EGATIVAS

CARG A S P OS ITIVAS F LUJO DE ELEC TRO NES

BATER IA

Fig. 1.1.5 Batería

Un electrón (-) es sacado de la órbita del átomo y es atraído al terminal (+) de la batería. El átomo queda cargado (+) debido a que ahora le hace falta un electrón (-). El átomo atraerá un electrón del átomo vecino. El átomo vecino, a su vez, atrae un electrón del átomo siguiente, y así sucesivamente hasta que el último átomo de cobre recibe un electrón del terminal negativo de la batería. El resultado de esta reacción en cadena es un movimiento de electrones del terminal negativo al terminal positivo de la batería. El flujo de electrones continúa todo el tiempo que las cargas positivas y negativas de la batería se mantengan en cada extremo del cable.

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Energía eléctrica Hay dos tipos de fuerzas que trabajan en cada átomo. En circunstancias normales, esas dos fuerzas están en equilibrio. Los protones y los electrones ejercen fuerzas entre sí, además de las fuerzas gravitacionales o centrífugas. Se ha determinado que además de la masa, los electrones y los protones transportan una carga eléctrica, a la que se atribuyen esas fuerzas adicionales. Sin embargo, las fuerzas actúan de modo diferente. En la fuerza entre dos masas, la fuerza gravitacional siempre es una "atracción", mientras que las fuerzas eléctricas “se atraen y se repelen”. Los protones y los electrones se atraen entre sí, mientras los protones ejercen fuerzas de repulsión en otros protones y los electrones ejercen fuerzas de repulsión en otros electrones.

CAR GA S O PU ESTAS SE ATRAEN

C ARG AS IG UALES + SE REP ELEN

CAR GA S IG UALES SE R EPELEN

Fig. 1.1.6 Fuerza entre cargas

Así, existen dos clases de carga eléctrica. Se determinó que los protones transportan la carga positiva (+) y los electrones la carga negativa (-). El neutrón, como su nombre lo indica, es una carga neutra. La dirección de la electricidad basada en el tipo de carga se llama "polaridad". Esto nos lleva a definir la ley básica de la electrostática: cargas eléctricas DIFERENTES se atraen, mientras cargas eléctricas IGUALES se repelen.

Unidad 1 Lección 1

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L IN EA S DE FU ER ZA E LE CTRO STATIC A

OB JE TO P OS ITI VO

O BJ ETO N EG ATIVO

Fig. 1.1.7 Campo electrostático entre dos cuerpos cargados

Cargas y electrostática La atracción o la repulsión de cuerpos cargados eléctricamente se debe a una fuerza invisible que se encuentra alrededor del cuerpo cargado, llamada campo electrostático. La figura 1.1.7 muestra la fuerza entre partículas cargadas eléctricamente como líneas electrostáticas imaginarias que van de la carga positiva a la carga negativa. El método convencional de representar las líneas de fuerza se hace mediante el uso de flechas. Las flechas se disponen saliendo de la carga positiva y entrando a la carga negativa. Cuando dos cargas iguales se sitúan una cerca de otra, las líneas de fuerza se repelen entre sí como se muestra en la figura 1.1.8.

Fig. 1.1.8 Campo electrostático entre dos partículas cargadas negativamente

Diferencia de potencial Debido a la fuerza de su campo electrostático, una carga eléctrica tiene la capacidad de realizar un trabajo al mover a otra carga eléctrica por atracción o por repulsión. A esta capacidad de atraer o repeler cargas eléctricas se llama “potencial”. Cuando las cargas no son iguales, habrá una diferencia de potencial entre ellas.

Unidad 1 Lección 1

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La diferencia de la suma del potencial de todas las cargas del campo electrostático se conoce como fuerza electromotriz (EMF). La unidad básica de la diferencia de potencial es el "voltio" (V) llamada así en honor de Alessandro Volta, científico italiano inventor de la "pila voltaica", la primera pila seca. El símbolo para potencial es la letra “V” e indica la capacidad para realizar el trabajo necesario que obligue a los electrones a moverse. Debido a que se usa la unidad voltio, la diferencia de potencial se llama "voltaje". Hay varias formas de producir voltaje, incluyendo fricción, calor, reacción química e inducción electromagnética. La atracción de pedazos pequeños de papel por un peine que ha sido frotado con un paño de lana es un ejemplo de voltaje producido por fricción. Una fotocelda de una calculadora sería un ejemplo de voltaje producido por energía solar. Culombio Se hizo necesario desarrollar una unidad de medida para la carga eléctrica. Un científico llamado Charles Coulomb investigó las leyes de la fuerza entre los cuerpos cargados y adoptó una unidad de medida llamada "culombio". Escrita en notación científica, un culombio es igual a 6,28 x 1018 electrones o protones. En términos más simples, en un conductor de cobre, un amperio es una corriente eléctrica de 6,28 millones de millones de electrones que cruzan un punto del conductor en un segundo. Corriente Las teorías electrostáticas que acabamos de ver, fueron explicadas poniendo énfasis en las fuerzas entre las cargas. Otra teoría que necesita explicarse es la del "movimiento" en un conductor. El movimiento de cargas en un conductor se define como la corriente eléctrica. Un electrón se verá afectado por un campo electrostático del mismo modo que un cuerpo con carga negativa. El electrón es repelido por una carga negativa y atraído por una carga positiva. El desplazamiento de electrones o movimiento genera una corriente eléctrica.

Unidad 1 Lección 1

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La magnitud o intensidad de la corriente se mide en "amperios". El símbolo de la unidad de medida de la corriente es la letra "A". El amperio es una medida de la velocidad a la cual se mueve una carga a través de un conductor. Un amperio es un culombio de carga que pasa por un punto en un segundo.

DIFER ENCIA DE P OT ENCIAL EN VO LTIO S

CO RRIENTE CO NV ENCIO NAL

ELEC TRO N ES CO NDU CTOR A

B

Fig. 1.1.9 Flujo de corriente

Flujo electrónico contra flujo convencional TE O R IA E L E C T R O N IC A

T E O R IA C O N V E N C IO N A L

Fig. 1.1.10 Corriente electrónica y corriente convencional

Hay dos modos de describir un flujo de corriente eléctrica en un conductor. Antes de plantearse "la teoría atómica", para explicar la composición de la materia, los científicos definieron la corriente como un movimiento de cargas positivas que fluye en un conductor desde un punto de polaridad positiva hasta un punto de polaridad negativa. Esta conclusión todavía se usa ampliamente en algunos libros y normas de ingeniería. Algunos ejemplos de cargas positivas en movimiento son las aplicaciones de corriente en líquidos, gases y semiconductores. Esta teoría de flujo de corriente ha sido llamada "flujo de corriente convencional". Con el planteamiento de la teoría atómica para explicar la composición de la materia, se determinó que el flujo de corriente a través de un conductor se basaba en un flujo de electrones (-), o carga negativa. Por tanto, la corriente de electrones está en sentido opuesto al sentido de la corriente convencional y se conoce con el nombre de "flujo de corriente electrónica".

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Aunque ambas teorías pueden usarse, este curso utilizará la teoría "convencional", más popular y que describe la corriente que fluye de una carga positiva (+) a una carga negativa (-). Resistencia Georg Simon Ohm descubrió que teniendo un voltaje fijo, la cantidad de corriente que fluye a través de un material depende del tipo de material y de las dimensiones físicas del material. En otras palabras, todos los materiales se oponen en algún grado al flujo de electrones. Esta oposición se llama "resistencia". Si la resistencia es pequeña, el material es un conductor. Si la resistencia es grande, el material es un aislador. El ohmio es la unidad de resistencia eléctrica y el símbolo para representarlo es la letra griega omega (Ω). Un material tiene una resistencia de un ohmio si el potencial de un voltio produce una corriente de un amperio. Es importante recordar que la resistencia eléctrica está presente en todos los circuitos eléctricos, incluyendo los componentes, cables de interconexión y los conectores. Los circuitos eléctricos y las leyes relacionadas se tratarán más adelante en esta unidad. A medida que la resistencia se opone al flujo de corriente, la energía eléctrica se transforma en otras energías, tales como calor, luz o movimiento. La resistencia de un conductor está determinada por cuatro factores: 1. Estructura atómica (cantidad de electrones libres). Mientras más electrones libres tenga un material, será menor la resistencia que ofrece al flujo de corriente.

ELECTRON ES LIBR ES NEU TRO NES ++ + +++ + + +

P ROTO NES

Fig. 1.1.11

Unidad 1 Lección 1

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R O hm 2 X R Ohm

A.

B.

R

Ohm

R Ohm 2

Resistencia

C. 6 Ohm 5 Ohm 80 o F 121 o F Tem peratura

Fig. 1.1.12 Resistencia

2. Longitud. Mientras más largo sea un conductor, será mayor la resistencia. Si se duplica el valor de la longitud de un cable, como se muestra en la figura 1.1.12(A), el valor de la resistencia se duplica entre los dos extremos. 3. Ancho (área seccional transversal). Mientras mayor sea el área seccional transversal de un conductor, será menor la resistencia (a mayor diámetro de una tubería, mayor flujo de agua). Si el área de la sección transversal se reduce a la mitad, como se muestra en la figura 1.1.12(B), la resistencia para cualquier longitud dada se duplica. 4. Temperatura. En casi todos los materiales, a mayor temperatura, mayor resistencia. La gráfica de la figura 1.1.12(C) muestra la resistencia a medida que la temperatura aumenta. Tenga en cuenta que hay algunos materiales cuyo efecto es diminuir la resistencia cuando la temperatura aumenta.

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Circuitos eléctricos y leyes Un circuito eléctrico es un paso, o un grupo de pasos interconectados, capaces de transportar corrientes eléctricas. El circuito eléctrico es un paso cerrado que contiene una fuente o fuentes de voltaje. Hay dos tipos básicos de circuitos eléctricos: en serie y en paralelo. Los circuitos en serie y en paralelo básicos pueden combinarse para formar circuitos más complejos, pero estos circuitos combinados pueden simplificarse y analizarse como circuitos básicos en serie o en paralelo. Es importante entender las leyes necesarias para analizar y diagnosticar los circuitos eléctricos. Estas son la Ley de Kirchoff y la Ley de Ohm. Gustav Kirchoff desarrolló dos leyes para analizar los circuitos. Estas leyes son: 1. La Ley de Corriente de Kirchoff (KCL) determina que la suma algebraica de las corrientes de cualquier unión en un circuito eléctrico es igual a cero. Expresado en forma más simple, la corriente que entra a una unión es igual a la corriente que sale de la unión. Nada se pierde. 2. La Ley de Voltaje de Kirchoff (KVL) determina que la suma algebraica de las fuerzas electromotrices y las caídas de voltaje alrededor de cualquier bucle eléctrico cerrado es igual a cero. Expresado de otro modo, si partimos de un punto particular de un circuito cerrado y damos la vuelta por el circuito sumando las diferencias individuales de potencial hasta que todas sean consideradas, cuando lleguemos al punto de inicio, no debería haber voltaje extra. Georg Simon Ohm descubrió una de las más importantes leyes de la electricidad. Esta describe la relación entre tres parámetros eléctricos: voltaje, corriente y resistencia. La Ley de Ohm se define como sigue: La corriente de un circuito eléctrico es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia. La relación puede expresarse por la siguiente ecuación matemática: Corriente = Fuerza electromotriz Resistencia o, definida en unidades eléctricas como: I = Voltios Ohmios

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Cuando usamos ecuaciones matemáticas para expresar las relaciones eléctricas, las representamos con letras. La resistencia se representa con la letra R o el símbolo omega (Ω). El voltaje o la diferencia de potencial se representa por la letra E o V (fuerza electromotriz). La corriente se representa por la letra I (intensidad de carga). Más adelante, veremos cómo usar estas leyes para calcular los valores de los circuitos eléctricos. Conductores eléctricos En aplicaciones eléctricas, los electrones viajan a lo largo de un camino llamado conductor o cable. Los electrones se mueven viajando de átomo en átomo. Algunos materiales hacen que los electrones viajen más fácilmente y se llaman "buenos conductores". Ejemplos de buenos conductores son la plata, el cobre, el oro, el cromo, el aluminio y el tungsteno. Se dice que un material es un buen conductor si tiene gran cantidad de electrones libres. La cantidad de presión eléctrica o voltaje que se necesita para mover los electrones a través de un material depende de la cantidad de electrones libres del material. La plata es el mejor conductor, pero su utilización se ve limitada debido a su alto costo. El oro es un buen conductor, pero no es tan bueno como el cobre. El oro tiene la ventaja de no sufrir corrosión como el cobre. El aluminio no es tan buen conductor como el cobre, pero es menos costoso y más liviano. La conductividad de un material determina qué tan buen conductor es. La figura 1.1.13 indica algunos de los conductores más comunes y su conductividad con respecto al cobre.

TABLA DE CONDUCTIVIDAD Conductor

Conductividad (con respecto al cobre)

Plata Cobre Oro Aluminio Zinc Bronce Hierro Estaño

1,064 1,000 0,707 0,659 0,288 0,243 0,178 0,018

Fig.1.1.13 Tabla de conductividad

Unidad 1 Lección 1

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Otros materiales dificultan el movimiento de los electrones y se llaman "aisladores". Un buen aislador mantiene los electrones fuertemente ligados en su órbita. Ejemplos de aisladores son el caucho, la madera, los plásticos y las cerámicas. También es importante saber que se puede crear un flujo de corriente eléctrica a través de cualquier material. Si el voltaje aplicado es lo suficientemente alto, aun los mejores aisladores permitirán el flujo de corriente. La tabla de la figura 1.1.14 indica algunos de los aisladores más comunes.

AISLADORES COMUNES Caucho Mica Cera o parafina Porcelana Baquelita

Plástico Vidrio Fibra de vidrio Madera seca Aire

Fig.1.1.14 Tabla de aisladores más comunes

Existen otros elementos que deben considerarse cuando se habla de aisladores. La suciedad y la humedad pueden servir para conducir la electricidad alrededor de un aislador. Si un aislador está sucio o hay humedad presente, puede causar problemas. El aislador no permite el paso de corriente, pero la suciedad o la humedad pueden proveer un paso para que los electrones fluyan. Por esto es importante mantener limpios los aisladores y las conexiones.

Unidad 1 Lección 1

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Cables eléctricos El cable de un circuito eléctrico está hecho de un conductor y un aislador. Generalmente, el conductor es de cobre y el aislador (cubrimiento externo) es de plástico o de caucho. Los conductores pueden ser cables sólidos o trenzados. En la mayoría de las aplicaciones de movimiento de tierra, los cables eléctricos son de cobre trenzado con un aislador plástico que cubre el conductor. Hay diferentes clasificaciones de cables. Mientra más pequeño sea el cable mayor será su número de identificación. El sistema numérico se conoce como Calibre de Cable Americano (AWG). La siguiente tabla de la figura 1.1.15 muestra la clasificación estándar de cable AWG.

(AWG) 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Diámetro (mm) 102,9 80,8 64,1 50,8 40,3 32,0 25,4 10,0 3,10

Ohmios por 1.000 pies 0,9989 1,588 2,525 4,016 6,385 10,15 16,4 103,2 1.049,0

Fig. 1.1.15 Clasificación estándar AWG de cable

Use un cable de calibre No. 14 (AWG) y un cable de calibre No. 18 (AWG) para mostrar la diferencia entre los valores de resistencia. El cable de calibre No. 14 (AWG) tiene una resistencia de aproximadamente 2,5 ohmios por 1.000 pies, mientras que un cable de calibre No. 18 (AWG) tiene una resistencia de aproximadamente 6,4 ohmios por 1.000 pies. El cable de calibre No. 18 (AWG) es 36% más pequeño en diámetro, pero tiene aproximadamente 3 veces más resistencia que el cable de calibre No. 14 (AWG). La resistencia de un cable puede también verse afectada por otras condiciones, como la corrosión, y deben tenerse en cuenta cuando se realizan mediciones de resistencias.

Magnetismo

Lección 2: Magnetismo

Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: 1. Demostrar sus conocimientos acerca del magnetismo, seleccionando la respuesta correcta a las preguntas sobre magnetismo en un examen de escogencia múltiple. 2. Dados una brújula y un equipo de capacitación de sistemas eléctricos, detectar el flujo de corriente en un circuito eléctrico. Herramientas Imán de barra/limaduras de hierro/lámina de vidrio o papel Brújula Equipo de capacitación de sistemas eléctricos

Unidad 1 Lección 2

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Introducción El magnetismo es otro tipo de fuerza que produce un flujo de electrones o corriente. Para estudiar la electricidad es también necesario un entendimiento básico del magnetismo. El magnetismo provee un puente entre la energía mecánica y la electricidad. Usando el magnetismo, un alternador convierte algo de energía mecánica desarrollada por un motor en fuerza electromotriz (EMF). En la práctica, el magnetismo permite a un motor de arranque convertir la energía eléctrica de una batería en energía mecánica para arrancar un motor. Naturaleza del magnetismo Casi todo el equipo eléctrico depende directa o indirectamente del magnetismo. Aunque hay algunos dispositivos eléctricos que no usan magnetismo, la mayoría de nuestros sistemas, así como los conocemos hoy, no existirían sin el uso del magnetismo. Hay tres tipos básicos de imanes: Naturales Manufacturados Electroimanes Imanes naturales En la China se descubrieron los imanes hacia el año 2137 A.C. Los imanes se usaban en brújulas que fueron llamadas "imanes de piedra". Los imanes de piedra eran piezas de hierro natural conocido como magnetita. Ya que en su estado natural la magnetita tiene propiedades magnéticas, los imanes de piedra son considerados “imanes naturales”. Imanes manufacturados Generalmente, los imanes manufacturados se producen en forma de barras de metal que se exponen a campos magnéticos muy fuertes. Estos imanes reciben algunas veces el nombre de “imanes artificiales”. Electroimanes Oersted, un científico nacido en Dinamarca, descubrió una relación entre el magnetismo y la corriente eléctrica. Oersted encontró que una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor producía un campo magnético alrededor del conductor.

Unidad 1 Lección 2

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Campos magnéticos Un imán tiene dos extremos que atraen fácilmente pedazos de hierro. Estos extremos se conocen como "polos del imán": polo norte y polo sur. Al igual que con las cargas eléctricas, en donde las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, los polos magnéticos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Un imán atrae un pedazo de hierro debido a que existe alguna fuerza alrededor del imán. Esta fuerza se llama "campo magnético". Aunque es invisible, podemos ver esta fuerza si usamos limaduras de hierro sobre una lámina de vidrio o de papel, y colocando un imán en la parte inferior de la lámina de vidrio. La figura 1.2.2 muestra una lámina de vidrio sobre un imán en la que se han esparcido limaduras de hierro. Cuando se golpea ligeramente la lámina de vidrio las limaduras se moverán en un patrón definido que muestra la fuerza del campo magnético alrededor del imán.

N

S

Fig. 1.2.2 Campos magnéticos

Campos magnéticos Realice un experimento con un imán de barra, una lámina de vidrio o papel y limaduras de hierro. Extienda las limaduras de hierro sobre un pedazo de papel o de vidrio. Coloque un imán de barra debajo. Mueva el vidrio o el papel sobre el imán y observe la alineación de las limaduras de hierro, debido al campo magnético alrededor del imán. El campo está formado por líneas de fuerza que parecen salir del imán en el polo norte, atraviesan el aire alrededor del imán, y continúan hasta el polo sur formando un bucle cerrado de fuerza. Mientras más potente sea el imán, más fuertes serán las líneas de fuerza y mayor el área cubierta por el campo magnético.

Unidad 1 Lección 2

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N


S

Fig. 1.2.3 Líneas de fuerza

Líneas de fuerza Para visualizar mejor el campo magnético sin las limaduras de hierro, el campo magnético se muestra como líneas de fuerza. En la figura 1.2.3. el sentido de las líneas fuera del imán muestra que salen del polo norte, son repelidas lejos del polo norte y atraídas en el polo sur. Dentro del imán, que es el generador del campo magnético, las líneas de fuerza van del polo sur al polo norte. Líneas de flujo magnético El grupo completo de las líneas del campo magnético, el cual puede considerarse como un flujo que sale del polo norte del imán, se llama flujo magnético. La densidad del flujo es el número de líneas de campo magnético por unidad de sección perpendicular a la dirección del flujo. La unidad se define como líneas por pulgada cuadrada en el sistema inglés, o líneas por centímetro cuadrado en el sistema métrico. Una línea por centímetro cuadrado se define como un gauss.

Unidad 1 Lección 2

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Fuerza magnética Las líneas de fuerza magnética atraviesan todos los materiales. No se conoce un aislador contra el magnetismo. Sin embargo, las líneas de flujo pasan más fácilmente a través de materiales que pueden magnetizarse que a través de aquellos materiales que no pueden hacerlo. Los materiales por los que no pasan fácilmente las líneas de flujo se conocen como materiales con "reluctancia magnética alta". El aire tiene una reluctancia alta; el hierro tiene una reluctancia baja. Una corriente eléctrica que fluye a través de un cable crea líneas magnéticas de fuerza alrededor del cable. La figura 1.2.4 muestra líneas de círculos magnéticos pequeños que se forman alrededor del cable.

Fig. 1.2.4 Líneas de fuerza magnética

Debido a que estas líneas de flujo son circulares, el campo magnético no tiene polo norte ni polo sur. Sin embargo, si el cable se enrolla en una bobina, los campos circulares individuales se fusionan. El resultado es un campo magnético unificado con polos norte y sur, como se muestra en la figura 1.2.5.

S

Fig. 1.2.5 Campos circulares

N

Unidad 1 Lección 2

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A medida que la corriente fluye a través del cable, éste se comporta como un imán de barra. El campo electromagnético permanece todo el tiempo que la corriente fluya a través del cable. Sin embargo, el campo producido en un cable recto no tiene suficiente magnetismo para realizar un trabajo. Para dar mayor intensidad al campo electromagnético, el cable puede enrollarse en forma de bobina. La fuerza magnética de un electroimán es proporcional al número de vueltas de cable de la bobina y de la corriente que fluye a través del cable. Cada vez que la corriente eléctrica fluye a través de la bobina de cable, se crea un campo magnético, o líneas de fuerza, alrededor de la bobina. Si la bobina se enrolla en un núcleo metálico, como el hierro, la fuerza magnética aumenta considerablemente. Los tipos de electroimanes típicos usados en las máquinas Caterpillar son los relés y los solenoides. Ambos operan con el principio electromagnético, pero funcionan de modo diferente. Los relés se usan como interruptores controlados eléctricamente. Un relé consta de una bobina electromagnética, una serie de contactos y un inducido. El inducido es un dispositivo móvil que permite que los contactos se abran y se cierren. La figura 1.2.6 muestra los componentes típicos de un relé.

INT E RRU P TOR

BAT ER IA

M OT OR DE A RR AN QU E

Fig. 1.2.6 Relé simple

Relé Cuando en el circuito de la bobina fluye una pequeña cantidad de corriente eléctrica, la fuerza electromagnética hace que los contactos del relé se cierren y proveen un paso de corriente más grande para operar otro componente, como un motor de arranque.

Unidad 1 Lección 2

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Un solenoide es otro dispositivo que usa electromagnetismo. Igual que el relé, el solenoide también tiene una bobina. La figura 1.2.7 muestra un solenoide típico. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, el electromagnetismo empuja o saca el núcleo de la bobina, creando un movimiento lineal, o movimientos hacia atrás y hacia adelante. Los solenoides se usan para conectar los motores de arranque o para el control de las velocidades en una transmisión automática. M OTO R DE A RR AN QUE

B AT ER IA

CO NTACTO I NT ER RU PT OR

Fig. 1.2.7 Solenoide simple de motor de arranque

En este punto realice la práctica de taller 1.2.1.

Unidad 1 Lección 2

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M OV IM IEN TO D EL CO NDU CTOR

M OVIM IEN TO DEL CO NDU CTO R

EL VOLT IM ETR O L EE VO LTA JE

Fig. 1.2.9 Inducción electromagnética

Inducción electromagnética Así como se puede crear un campo electromagnético con corriente, también se puede producir corriente con un campo magnético induciendo un voltaje en el conductor. Este proceso se conoce como "inducción electromagnética". Ocurre cuando las líneas de flujo de un campo magnético cortan transversalmente un cable (o cualquier conductor). No importa si el campo magnético o el cable se mueven. Cuando hay un movimiento relativo entre el cable y el campo magnético, en el conductor se induce un voltaje. El voltaje inducido hace que la corriente fluya. Cuando el movimiento se detiene, la corriente deja de fluir. Si un cable se pasa a través de un campo magnético, por ejemplo, un cable que se mueve a través de los campos magnéticos de un imán en forma de herradura, se induce el voltaje. Si el cable está enrollado en una bobina, se refuerza el voltaje inducido. Este método es el principio de funcionamiento usado en sensores de velocidad, generadores y alternadores. En algunos casos el cable es estacionario y el imán se mueve. En otros casos el imán es estacionario y los devanados de campo se mueven. El movimiento en el sentido opuesto hace que la corriente fluya en sentido opuesto. Por tanto, un movimiento hacia atrás y hacia adelante produce un voltaje CA (corriente). En aplicaciones prácticas, los conductores múltiples están enrollados en la bobina. Esto concentra el efecto de la inducción electromagnética y hace posible generar una potencia eléctrica útil con un dispositivo relativamente compacto. En un generador, la bobina se mueve y el campo magnético es estacionario. En un alternador, el imán gira dentro de una bobina estacionaria.

Unidad 1 Lección 2

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La fuerza del voltaje inducido depende de varios factores: • La fuerza del campo magnético • La velocidad del movimiento relativo entre el campo y la bobina • El número de conductores de la bobina Hay tres maneras de inducir un voltaje de manera electromagnética: • Voltaje generado • Autoinducción • Inducción mutua Voltaje generado Un generador simple CC (figura 1.2.10) muestra un conductor en movimiento que pasa por un campo magnético estacionario para producir voltaje y corriente. Un bucle simple de cable gira entre los polos norte y sur de un campo magnético.

Fig. 1.2.10 Generador CC

Unidad 1 Lección 2

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Autoinducción La autoinducción ocurre en un cable que transporta corriente cuando cambia la corriente que fluye a través del cable. Debido a que la corriente fluye a través del conductor, en cada cambio de corriente se crea y se colapsa un campo magnético alrededor del cable, lo que induce así un voltaje en el conductor. La figura 1.2.11 muestra la autoinducción en una bobina.

CO R RIE NT E CA M BIA NDO VO LTAJ E IND UC IDO C A M PO M AGN ET ICO C AM BIA ND O

Fig. 1.2.11 Autoinducción

Inducción mutua La inducción mutua ocurre cuando el cambio de corriente en una bobina induce un voltaje en una bobina adyacente. Un transformador es un ejemplo de inducción mutua. La figura 1.2.12 muestra dos inductores cerca uno del otro. Cuando una corriente CA fluye a través de la bobina L1, un campo magnético atraviesa la bobina L2, lo que induce un voltaje y por tanto produce flujo de corriente en la bobina L2.

L1

L2 V

EL VO LTIM ETRO M IDE EL VOLTAJ E IND UCIDO

CA M P O M AG NETICO DEL IN DUC TO R L1 Fig. 1.2.12 Inducción mutua

CO M PO NENTES Y SIM BO LOS ELECTRIC OS ¥ Co m pon entes Eléct ricos Básico s ¥ Com ponen tes Eléctric os de E stado Sólido ¥ Diag ram as Eléctricos

Introducción Hay diferentes tipos de componentes usados en los circuitos eléctricos. En esta lección se verán los componentes eléctricos básicos y el cableado usado en las máquinas Caterpillar. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Con un hierro de soldar, soldador y alambre de cobre, soldar un contacto de cable a otro cable y probar la continuidad entre el cable y el contacto para asegurar una buena conexión. Dadas las herramientas apropiadas, cables y conectores de cables, reparar fallas de cableado y reemplazar un conector en un mazo de cables (varios cables agrupados) de una máquina. Demostrar que conoce la función de los componentes eléctricos, seleccionando las respuestas correctas a las preguntas dadas en un examen de selección múltiple.

Lección 1: Componentes eléctricos básicos

Lección 1: Componentes eléctricos básicos

Unidad 3 Lección 1

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S O L ID O

TR E N ZAD O

Fig. 3.1.1 Tipos de cable

Los cables son los conductores de los circuitos eléctricos. La mayoría de los cables son trenzados (hechos de muchos cables delgados enrollados y recubiertos con un material común aislante). En las máquinas Caterpillar se encuentran muchos tipos de cables incluyendo: De cobre: Es el tipo más común y son generalmente trenzados. Conexiones de fusibles: Dispositivos de protección de circuitos hechos de cables más finos que los del resto del circuito que ellos protegen. Cable enrollado/blindado: Un par de pequeños cables calibrados y aislados contra las señales de RFI/EMI, usados para señales de comunicación de computador.

Fig. 3.1.2 Grupo de cables de un mazo

Muchos cables están en grupo con uno o más conectores comunes en cada extremo. Estos grupos son llamados mazos de cables. Observe que un mazo puede contener cables de diferentes circuitos y sistemas. Un ejemplo podría ser el mazo que enchufa en el conjunto del interruptor de las luces frontales, el cual contiene los cables de las luces de estacionamiento, las luces traseras y las luces frontales altas y bajas, entre otros.

Unidad 3 Lección 1

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Algunos cables de mazo se encuentran en tubos de plástico. Estos tubos están cortados longitudinalmente para permitir un acceso fácil a los cables del mazo. Otros cables del mazo se forran en cinta aislante. Los mazos se fijan a la máquina con pinzas de plástico y sujetadores metálicos. Para encontrar fácilmente un mazo específico en la máquina, los diagramas eléctricos Caterpillar proveen la localización de los mazos de cables. Las características de los diagramas eléctricos Caterpillar se verán más adelante en la lección 3

CLASIF ICACIO N DE CAB LES AW G 10 12 14 16 18 20 22 30 40

D IA M E TRO (m m ) 10 2,9 8 0,8 6 4,1 5 0,8 4 0,3 3 2,0 2 5,4 1 0,0 3,10

OH M IOS POR 1.000 P IE S 0,9989 1,588 2 ,52 5 4 ,01 6 6,385 1 0,15 16,14 1 03,20 1 .0 49 ,0

Fig. 3.1.3 Clasificación de cables eléctricos. Tabla de conversión

Calibre del cable Los circuitos eléctricos y electrónicos se fabrican con conductores de tamaño y longitud específicos para proveer paso al flujo de corriente. El tamaño de un cable determina la cantidad de corriente que puede transportar. Un cable puede clasificarse de dos maneras: de acuerdo con la clasificación de la "AmericanWire Gage" (AWG) (referido generalmente como el “calibre” del cable) y la clasificación según el sistema métrico. Cuando se reparan o se reemplazan cables de una máquina, es necesario utilizar conductores de tamaño y longitud correctos. La figura 3.1.3. indica las resistencias típicas de varios tamaños de conductores. Si utiliza la clasificación AWG de cables, recuerde que los números de calibre más bajos indican cables de tamaño grande, y números altos indican cables de tamaño pequeño. Las medidas métricas del cable, por otra parte, se refieren al diámetro del cable en milímetros, y, en este caso, diámetros grandes indican cables más gruesos.

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Soldadura Aunque pueda existir una conexión eléctrica entre dos cables rebordeados, la conexión puede estar incompleta o defectuosa. La soldadura permite una conexión eléctrica sólida y confiable. En el proceso de soldadura, una soldadura derretida fluye entre todas las imperfecciones de la superficie de los metales que se van a soldar. Al soldar dos piezas de metal, una delgada capa de soldadura se adhiere entre las piezas para permitir así la conexión eléctrica. La soldadura es una mezcla de estaño y plomo y generalmente contiene un fundente. La función del fundente es evitar la oxidación durante el proceso. El fundente también sirve para bajar la tensión de la soldadura fundida, y permitir que ésta fluya y se extienda más fácilmente. La resina es el fundente más comúnmente usado en la reparación de cables eléctricos. La resina es anticorrosiva, poco tóxica y se funde fácilmente. La soldadura con núcleo de resina es la única clase de soldadura usada en reparaciones de cableado electrónico. Nunca use soldadura con núcleos ácidos u otras soldaduras que contengan fundente corrosivo, ya que la propiedad de la conexión de conducir la corriente se perderá rápidamente. Cuando esté soldando siga estas indicaciones: - Use el soldador para calentar el terminal o la pinza. Este transferirá calor por conductividad a los cables, que se calentarán lo suficiente para derretir la soldadura. No caliente la soldadura directamente. - Asegúrese de que haya láminas de soldadura entre el núcleo (conductor) y el terminal o pinza, pero no en el aislador. - Si usa pinza, asegúrese de que la soldadura cubra la superficie expuesta del conductor y toda la pinza. - Si aplica soldadura alrededor de un terminal, asegúrese de que la soldadura cubra el conductor, pero no lo extienda más allá del conductor. Puede ser útil inclinar ligeramente hacia arriba el extremo del cable que se esté reparando para evitar que la soldadura fluya al terminal. - No aplique mucha soldadura si el cable trenzado individual no es visible. - No permita que el soldador queme el terminal o el aislador. - No deje puntas agudas de soldadura, ya que pueden romper la cinta usada para aislar la reparación.

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- No permita que por fuera de la reparación queden hebras del cable trenzado o sobre el aislador. - No haga soldaduras de cables en un circuito vivo. Siempre desconecte la electricidad de los cables y luego realice la reparación

N OM I NA L S old ad ur a e n tr e n ú cle o y pi nz a

C ub ri m ien to d e 100% con so lda du ra de l n úc le o y p i nz a

D E NT RO D E T OL ER A NC IA/E SP E CI FI CAC ION E S

M en os de 100 % de c u bri m ie nto d e s old ad ur a

F al ta so lda du ra e n la ven tan a de la p in za

De be pas ar re q uer im i en to de “ti rar de sp u és de s ol dar”

A lgo d e cab le exp ues to d eb ido a la con trac ción d el ais la dor

De b e h abe r s ol d ad u ra en tre nú cl eo y pi n za

Ais la dor qu em ad o o exce so de sol dau ra p egad a al ais lad or (p ued e cu br irs e con cin ta ais lad ora)

N O C O N FO R M IDA D Exceso de flujo de aceite (cinta resbalosa) Uno o más cables mues tran evidencia de no estar unidos a la pinza

Un a o m ás heb r as sali d as (c ap ac es de pi car y r om pe r la cin ta ai sl ador a)

Puntas con filo o crestas

Ais la dor exces ivam en te qu em ad o o s old adu ra e n exces o p egad a al ais lad or (n o p u ed e cu b rir se c on cin ta ais lad ora)

E xtre m os del n úc leo s ob re e l ais lad or

Fig 3.1.4 Normas para realizar trabajos de soldadura en cables eléctricos

Unidad 3 Lección 1

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Herramientas y preparación para las operaciones de soldadura Herramientas Se recomienda usar las siguientes herramientas cuando se preparan y se sueldan cables o conexiones: Alicates de ángulo, comúnmente llamadas pinzas o diagonales, usados para cortar cables blandos y otros componentes de cables. No se deben usar para cortar metales duros, como hierro o acero. Alicates de nariz larga o nariz de aguja, usados para sujetar el cable hasta que el extremo rebordeado del cable pueda ser doblado alrededor de un borne o insertado en el orificio de un terminal. Los rebordeadores de cables se usan para quitar el aislador del extremo del cable. Hay diferentes pinzas rebordeadoras de cable que van desde el tipo simple que se encuentra en un alicate de ángulo, hasta los automáticos, que trabajan diferentes diámetros de cables. Un soldador es una herramienta común en la industria, que se usa para unir los cables. Hay diferentes tipos de aparatos para este propósito, como soldadores de pistola, de lápiz, etc. Los soldadores se clasifican dependiendo de la cantidad de energía que pueden disipar e, indirectamente, de la cantidad de calor que producen. Los tamaños más populares de soldadores son las pistolas de 100 vatios y 125 vatios. El tipo de trabajo determina el tamaño del soldador que debe usarse. Para evitar el recalentamiento durante la soldadura o para desoldar piezas electrónicas sensibles al calor se usa un disipador de calor. El disipador de calor es generalmente una pinza que se conecta al cable entre el cuerpo de la pieza y el punto terminal donde se aplica el calor. El disipador de calor absorbe el calor y reduce la cantidad de calor al componente. Una herramienta para desoldar simplifica el trabajo de limpiar desechos de soldadura de los orificios del tablero electrónico (pc), cuando los componentes están siendo quitados de los orificios. Los orificios deben estar libres de soldadura antes de insertar los terminales de un nuevo componente.

Unidad 3 Lección 1

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Preparación del cable que se va a soldar Dos o más cables que den paso a la electricidad deben estar conectados eléctricamente. Esto significa que la superficie de un cable sin aislamiento debe conectarse mecánicamente a la superficie sin aislamiento del otro cable. Para asegurarnos de que los cables no se separen, o que la conexión no sufra corrosión, los cables deben soldarse en su unión. Antes de conectar y soldar los cables, deben prepararse convenientemente. Esto implica quitar el aislante del extremo de los cables, para tener los terminales de los cables que puedan conectarse entre sí, o a un borne o al contacto de un conector. Después de quitar el aislador, examine si el cable tiene muescas, cortes o decoloración. Si el cable está brillante y no tiene muescas o daños, no se necesita ninguna otra preparación. Si el cable aparece oscuro o sin brillo, debe limpiarse antes de soldarse. Como paso final, antes de soldar, es necesario realizar una labor llamada de "estañado". Si se usan cables trenzados, el cable debe entorcharse y colocarse en la punta del soldador para calentarlo lo suficiente, de modo que el cable pueda derretir la soldadura. Conexiones mecánicas Algunos de los conectores más comunes son los bornes, los terminales y los empalmes. La figura 3.1.5 muestra una conexión a un borne. El cable debe asegurarse al borne enrollándolo tres cuartos de vuelta o una vuelta completa. Enrollar el cable más de una vuelta alrededor del borne es un desperdicio y causará problemas si la conexión necesita desoldarse.

Fig. 3.1.5 Borne

Unidad 3 Lección 1

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La figura 3.1.6 muestra una conexión típica a una regleta de terminales. Doble el extremo del cable en forma de gancho e inserte el gancho en la ranura de la regleta de terminales.

Fig. 3.1.6 Regleta de terminales

Si se empalman dos cables, el procedimiento recomendado es doblar el extremo de cada cable en forma de gancho. Combine los dos ganchos y aplique la soldadura en la unión. No es necesario torcer los cables enganchados antes de soldar. La figura 3.1.7 muestra una conexión de empalme de gancho.

Fig. 3.1.7 Empalme de gancho

Cuando conecte cables a componentes sensibles al calor, a un borne o a una regleta terminal, se recomienda usar un disipador térmico. La figura 3.1.8 muestra un disipador térmico conectado a un cable entre un diodo de germanio y un borne. El disipador térmico actúa como una carga de calor y por esta razón reduce el calor que pueda transferirse al diodo.

DIS IP ADO R T ER M IC O S OL DA D OR

D IOD O D E GE RM AN IO

Fig. 3.1.8 Disipador de calor

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Precauciones de seguridad Los soldadores de pistola operan a altas temperaturas y pueden causar quemaduras severas. Observe las siguientes precauciones de seguridad cuando proceda a soldar componentes eléctricos: 1. No permita que la soldadura caliente salpique en el aire al sacudir una pistola de soldar o una unión recién soldada. 2. Agarre siempre la pistola de soldar por el mango aislado. No toque la parte de metal descubierta. 3. No permita que la parte metálica de una pistola de soldar se ponga en contacto con materiales combustibles. La pistola de soldar debe estar siempre en su soporte cuando no está en uso. Sugerencias útiles El hacer buenas soldaduras es parte de la habilidad del técnico. Las soldaduras de las conexiones deben ser mecánicamente fuertes; por tanto, no deben vibrar ni estar flojas, lo que causaría intermitencias eléctricas. Eléctricamente, los contactos soldados deben tener baja resistencia para proveer la adecuada señal de transferencia. Algunas reglas básicas para soldar son: 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9.

La punta del soldador debe estar estañada y limpia Los metales que se van a soldar deben estar limpios Sujete mecánicamente la unión, de ser posible Estañee las superficies grandes antes de soldarlas Aplique la soldadura en las uniones, no en la punta de la pistola. La soldadura debe fluir libremente y tener una apariencia suave y brillante Use suficiente soldadura para permitir conexiones sólidas Al utilizar un fundente adicional, aplíquelo en la unión. Sólo debe usarse fundente de resina en las conexiones eléctricas Haga la soldadura rápidamente y no permita que los componentes o el aislador se quemen o se recalienten Use soldadura con núcleo de resina o su equivalente. No use soldadura con núcleo de ácido en ninguna conexión eléctrica.

En este punto realice la práctica de taller 3.1.1.

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Conectores

Fig. 3.1.9 Conectores de mazos de cables

El propósito de un conector es pasar la corriente de un cable a otro. Para hacer esto, el conector debe tener dos mitades que se acoplen (enchufe y receptáculo). Una mitad contiene una clavija, la otra mitad contiene un receptáculo. Cuando las dos mitades se juntan, permiten el paso de corriente. Con el uso frecuente de sistemas electrónicos en las máquinas Caterpillar, el servicio dado a los conectores se convierte en una tarea fundamental, e implica un aumento en el mantenimiento del cableado, conectores, clavijas y receptáculos. Otro factor importante que aumenta la reparaciones de los sistemas electrónicos es el medio ambiente severo en el cual operan los conectores. Los conectores deben operar en condiciones extremas de calor, frío, polvo, suciedad, humedad, químicos, etc. C O NEC TO R ES Sin asp erezas Clavija e n con tact o c on rece ptác ulo

C on asp erezas Co nta cto

S in co nta cto

AS P EREZA EN LOS CO NTAC TO S DE C LAVIJA R EC EPTAC ULO

C LAV IJA

Cond ición d e aspereza Co nta cto

Sin c ont acto

Ele ct ron es co nver gie ndo

Fig. 3.1.10 Asperezas del conector

Las clavijas y los receptáculos tienen resistencia y ofrecen algo de oposición al flujo de corriente. Como las superficies de las clavijas y de los receptáculos no son lisas (contienen picos y ondulaciones), existe una condición conocida como aspereza (superficie rugosa). Cuando las dos mitades se conectan, aproximadamente uno por ciento de sus superficies no hace contacto entre sí.

Unidad 3 Lección 1

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Los electrones son forzados a converger sobre los picos y crean, por consiguiente, algo de resistencia en las mitades de contacto. Aunque este proceso parezca insignificante para la operación de un control electrónico, esta resistencia a través del conector puede crear un funcionamiento defectuoso de los controles electrónicos. Metalizado A fin de lograr la mínima resistencia en las clavijas y los contactos, debe ponerse especial atención al acabado, a la precisión y al tipo de metal usado en la fabricación de las clavijas y los contactos. El estaño es lo suficientemente blando para permitir una "película limpiadora", pero tiene alta resistividad. El cobre tiene baja resistividad pero es muy duro. Entonces, para lograr una mínima resistencia y reducir al máximo las asperezas, los contactos de cobre de baja resistencia son a menudo metalizados con estaño (estañados). La película limpiadora se presenta cuando las clavijas y los contactos han sido metalizados con estaño, de modo que al unirse, tienden a "limpiarse" mutuamente para suavizar los picos y las ondulaciones creados por las condiciones de aspereza. Otros metales como el oro y la plata son excelentes para metalizar el cobre, pero muy costosos. Los contaminantes Los contaminantes son otro factor que aumenta la resistencia en los conectores. Algunas condiciones difíciles, como el empleo de químicos etc., pueden causar un funcionamiento defectuoso debido al aumento de la resistencia. Los técnicos deben saber que los conectores son causa de muchos problemas de diagnóstico. Por ello es necesario medir la resistencia entre las mitades conectoras cuando se diagnostica un funcionamiento defectuoso en el control electrónico. También los técnicos deben saber que desconectar y reconectar los conectores durante los procesos de localización y solución de problemas pueden dar una información de diagnóstico equivocada. Adicionalmente, aconseje a los estudiantes el uso muy ocasional de cables de desconexión cuando se ubican y se solucionan problemas eléctricos de tipo intermitente.

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Tipos de conectores En los sistemas eléctricos y electrónicos de las máquinas Caterpillar se usan varios tipos de conectores. Cada tipo difiere en el servicio o su reparación. Informe a los estudiantes que los procedimientos de servicio de los conectores pueden encontrarse en las Instrucciones Especiales correspondientes. Los siguientes tipos de conectores se examinarán con detalle: Conectores ambientales vehiculares (VE) Conectores Sure Seal Conectores Deutsch ( Series HD10, DT, CE y DRC) Conectores VE

Fig. 3.1.11 Conectores ambientales vehiculares VE

Muestre el video “Mantenimiento básico de los cables eléctricos” (SEVN3197) Los conectores VE se usaron en los primeros mazos eléctricos de las máquinas Caterpillar, cuando hubo necesidad de usar conectores resistentes a altas temperaturas, con gran número de contactos y mayor capacidad de transportar corriente. El conector requería una herramienta especial que soltaba el metal para poder quitar los contactos que pudieran dañar el mecanismo de cierre, en caso de que la herramienta girara cuando se soltaba la pinza retenedora. No use herramientas para soldar el metal (indicadas en SEHS8038) para ningún otro tipo de conector eléctrico. Después de rebordear un cable con el contacto, se recomienda soldar el cable y el contacto para proveer una buena conexión eléctrica. Use únicamente soldadura con núcleo de resina en las conexiones eléctricas.

Unidad 3 Lección 1

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La información específica relacionada con el procedimiento de instalación de los contactos de los conectores VE (clavijas y receptáculos) se encuentra en la Instrucción Especial “Uso del Grupo de Herramientas de los Conectores VE” (SEHS8038). Este tipo de conector no se usa actualmente, pero en algunas máquinas puede aún necesitar el servicio de un técnico de campo. Conectores Sure Seal

Fig. 3.1.12 Conectores Sure Seal

Los conectores Sure Seal se usan ampliamente en las máquinas Caterpillar. Las cajas de los conectores vienen diseñadas para proporcionar un acoplamiento exacto entre las dos mitades, y en vez de usar llaves guía o ranuras guía, los cuerpos de los conectores están moldeados de modo que no pueden conectarse incorrectamente. Los conectores Sure Seal tienen capacidad límite de 10 contactos (clavijas y receptáculos). Los números de las piezas de los tapones de repuesto y las cajas del receptáculo y los contactos se encuentran en la Instrucción Especial -Uso del juego de reparación de los conectores Sure Seal 6V3000 (SMHS7531). Use la herramienta especial (6V3001) para rebordear los contactos y los cables. Los conectores Sure Seal exigen el uso de la herramienta especial 6V3008 para la instalación de los contactos. Use alcohol desnaturalizado como lubricante cuando se instalen los contactos. No se necesita una herramienta especial para quitar los contactos de las clavijas. En el armado de los contactos, debe usar un tapón sellante 9G3695 en cualquier orificio no usado en las cajas. El tapón sellante ayuda a evitar que se forme humedad en las cajas. En este punto realice la práctica de taller 3.1.2.

Unidad 3 Lección 1

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Conectores Deutsch

Fig. 3.1.13 Conectores de la serie HD10

Conectores de la serie Deutsch para servicio pesado (HD10) El HD10 es un conector cilíndrico, termoplástico, que utiliza contactos de tipo reborde, que pueden quitarse fácil y rápidamente. Las cápsulas termoplásticas están disponibles en configuraciones con rosca y sin rosca usando disposiciones de 3, 5, 6 y 9 contactos. El tamaño del contacto es No. 16 y acepta cables de calibre No. 14, 16 y 18 (AWG). El HD10 usa contactos de tipo reborde, de aleación de cobre sólido No. 16, con la característica de transportar alta carga de corriente continua sin recalentamiento. Los contactos se rebordean usando una tenaza rebordeadora Deutsch, número de pieza Caterpillar 1U5805. Los procedimientos de la terminación de la conexión Deutsch recomiendan NO SOLDAR sino hasta después de haber rebordeado los contactos adecuadamente. Los procedimientos para preparar un cable y rebordear un contacto son iguales para todos los conectores Deutsch y se explican en la Instrucción Especial - “Servicio de los Conectores DT” (SEHS9615). El procedimiento de remoción difiere de conector a conector y se explicará en cada sección.

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Conectores de la Serie de Transportación Deutsch (DT)

Fig. 3.1.14 Conectores de la serie DT

El DT es un conector termoplástico que utiliza contactos de tipo rebordeador que pueden quitarse rápida y fácilmente sin requerir una herramienta especial. Las cajas termoplásticas están disponibles en configuraciones que usan disposiciones de inserto de 2, 3, 4, 6, 8 y 12 contactos. El tamaño del contacto es No. 16 y acepta cables de calibre No. 14, 16 y 18 (AWG). El conector DT usa contactos de tipo rebordeador de aleación de cobre sólido No. 16 que tiene como característica la capacidad de llevar continuamente altas operaciones de carga de corriente sin recalentamiento y de poseer contactos estampados y moldeados (menor costo). Los contactos se rebordean usando una tenaza rebordeadora Deutsch, número de pieza Caterpillar 1U5804. El conector DT difiere de otros conectores Deutsch tanto en su apariencia como en su construcción. El conector DT es rectangular o triangular con cuñas de enchufe, cuñas de receptáculo y sellos de silicona. El alcohol desnaturalizado es el disolvente limpiador recomendado para todos los contactos Deutsch. Para obtener información más detallada del servicio del conector DT, consulte la Instrucción Especial - Servicio de los Conectores DT (SEHS9615). En este punto realice la práctica de taller 3.1.3.

Unidad 3 Lección 1

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Conectores ambientales (CE) Caterpillar

Fig. 3.1.15 Serie de conectores ambientales (CE) Caterpillar

El CE es un conector de aplicación especial en varios módulos de control electrónico, que puede acomodar entre 7 y 37 contactos utilizando el conector de 37 contactos. El conector CE usa dos diferentes herramientas rebordeadoras. La herramienta rebordeadora para contactos No. 4 - 10 es la tenaza rebordeadora manual 4C4075, y la herramienta para contactos No. 12 - 18 es la misma herramienta usada en los conectores de la serie HD y DT (1U5804). Para obtener una explicación más detallada del servicio de los conectores CE, consulte la Instrucción Especial -- “Uso de las herramientas del conector CE” (SEHS9065). En este punto realice la práctica de taller 3.1.4.

Unidad 3 Lección 1

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Conector rectangular Deutsch (DRC)

Fig. 3.1.16 Conector rectangular Deutsch (DRC)

El conector DRC tiene una caja termoplástica rectangular completamente hermética. El DRC está diseñado para ser compatible con módulos electrónicos internos y externos. El conector está diseñado con un mayor número de terminales. Los arreglos de inserto disponibles son: 24, 40 y 70 contactos. El tamaño del contacto es No. 16 y acepta cables de calibre No. 16 y 18 (AWG). El conector usa contactos de aleación de cobre de tipo rebordeador, No. 16 que tiene como característica la habilidad de transportar altas operaciones de carga de corriente continua sin recalentamiento, y contactos moldeados y estampados (menor costo). Los contactos son rebordeados usando una tenaza rebordeadora Deutsch, número de pieza Caterpillar 1U5805. El conector contiene una llave de reloj para una correcta orientación y se asegura con un tornillo de apriete y separación de acero inoxidable. Se requiere una llave HEXAGONAL de 4 mm (5/32 pulgadas) para ajustar las dos mitades del conector. El par recomendado para apretar el tornillo de apriete y separación es de 25 libras por pulgada. NOTA: El DRC usa la misma instalación y procedimientos de remoción de la serie HD10. No se requiere práctica de taller del conector.

Unidad 3 Lección 1

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Componentes

Fig. 3.1.17 Interruptores

Interruptores Un interruptor es un dispositivo utilizado para completar o interrumpir un paso de corriente. Típicamente, los interruptores están colocados entre dos conductores (o cables). Hay diferentes tipos de interruptores, como el unipolar de una vía (SPST), el bipolar de dos vías (SPDT), bipolar de una vía (DPST) y el unipolar de dos vías (DPDT).

SPST UNIPOLA R DE UNA VIA

DPST

DPDT

BIPOL AR DE UNA VIA

B IPOLAR DE DOS VIAS

SPDT UNIPOLAR DE DOS VIA S

Fig. 3.1.18 Tipos de interruptores

Hay también muchas formas de operar los interruptores. Los interruptores mostrados arriba se operan mecánicamente moviendo una palanca o un accionador del interruptor. Algunas veces, los interruptores se encadenan para que abran y cierren al mismo tiempo, en cuyo caso se muestra en los diagramas como una línea punteada que conectan los interruptores. Otros interruptores operados mecánicamente son los interruptores límite e interruptores de presión. Los contactos del interruptor se cierran o se abren por medios externos, como una palanca accionadora en un interruptor de límite o uno que actúa con presión. Algunos de los interruptores más comunes usados en máquinas Caterpillar son: De palanca De empuje De llave de contacto

Giratorio A presión De límite

Basculante Magnético De desactivación

Algunos interruptores son más complejos que otros. Las máquinas Caterpillar usan interruptores magnéticos para medir señales de velocidad, o interruptores electrónicos que contienen componentes electrónicos internos, como transistores, para conectar o desconectar las señales remotas.

Unidad 3 Lección 1

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Un ejemplo de un interruptor más complejo usado en las máquinas Caterpillar es el interruptor de llave de contacto. La figura 3.1.19 muestra el diagrama interno del interruptor de llave de contacto. Este tipo de interruptor controla diferentes funciones, como la posición de acceso (ACC), posición de funcionamiento (RUN), posición de arranque (START) y la posición de desconectada (OFF). Este tipo de interruptor puede controlar otros componentes y suministrar energía a varios componentes al mismo tiempo.

ST

B

ON

ACC

S

OF F

C

R

A

Fig. 3.1.19 Interruptor de llave de contacto

Protectores del circuito

Fig. 3.1.20 Disyuntor

Los fusibles, las conexiones de puente de fusibles y los disyuntores son protectores del circuito. Si hay exceso de corriente en un circuito, se produce calor. El calor, no la corriente, hace que el circuito protector se abra antes de que el cable pueda dañarse. El efecto es el mismo que cuando se desconecta el interruptor. Observe que los disyuntores están diseñados para proteger el cableado y no necesariamente a otros componentes. Los fusibles y los disyuntores pueden ayudarnos a diagnosticar los problemas en los circuitos. Si un disyuntor se abre repetidamente es indicio de un daño eléctrico serio que necesita repararse.

Unidad 3 Lección 1

3-1-20


Fusibles

Fig. 3.1.21 Fusibles de vidrio

Fig. 3.1.22 Fusibles de plástico

Los fusibles son los protectores más comunes de los circuitos. Un fusible está hecho de una delgada cinta de metal o de cable colocado dentro de un pequeño tubo de vidrio o de plástico. Cuando la corriente que fluye es mayor que la resistencia del fusible, la cinta de metal se derrite y el circuito se abre. En este caso, el fusible deberá ser reemplazado. Los fusibles se clasifican de acuerdo con ell amperaje que pueden transportar antes de abrirse. Los cuerpos de los fusibles de plástico se moldean en diferentes colores para mostrar su clasificación, y esta clasificación se encuentra estampada también en la parte superior del fusible. Una conexión de puente del fusible (no mostrado) es una sección corta de un cable aislado, más delgado que el cable del circuito que éste protege. El exceso de corriente derrite el cable dentro del fusible. Como los fusibles, la conexión de puente de los fusibles debe reemplazarse después de fundirse. Las conexiones de puente de fusibles se usan comúnmente en el cable de encendido del terminal positivo de la batería. Usted puede saber si una conexión de puente de fusible está quemada, tirando de los extremos. Si se estira como una banda de caucho, el cable está derretido y la conexión de puente de fusibles no funcionará ya. (El aislamiento de una conexión de fusible es más grueso que el aislamiento regular de un cable, ya que éste contiene la unión derretida después de haberse quemado). NOTA: Cuando reemplace una conexión de puente de fusible, nunca use una longitud mayor de 225 mm (cerca de 9 pulgadas).

Unidad 3 Lección 1

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Disyuntores

ES TADO NO RMA L

ES TA DO ACTIVA DO

Fig. 3.1.23 Ciclaje

Un disyuntor es similar a un fusible. Sin embargo, el exceso de corriente puede causar el “disparo” del disyuntor, y abrir el circuito. El disyuntor puede fijarse de forma manual nuevamente después de que las condiciones de sobrecarga de corriente se hayan eliminado. Algunos disyuntores se restauran automáticamente después de abiertos. Estos son llamados disyuntores “cíclicos”. Algunos disyuntores son fabricados dentro de varios componentes Caterpillar, como el interruptor de luces delanteras. También hay disyuntores no cíclicos. Este tipo de disyuntor opera con un cable calentado que mantiene abierto el contacto hasta que se elimine el flujo de corriente. Un disyuntor cíclico contiene una cinta metálica hecha de dos metales diferentes. La corriente más alta para la que fue diseñado el disyuntor hace que los dos metales cambien de forma de manera desigual. La cinta metálica se curva y se abre un grupo de contactos, que detiene el flujo de corriente. Cuando el metal se enfría, retorna a su forma normal, cerrando los contactos. El flujo de corriente retoma su actividad normal. Los disyuntores de restauración automática también se llaman "cíclicos" porque el ciclo abre y cierra hasta que la corriente retorna a su nivel normal. Un interruptor PTC (por Coeficiente Positivo de Temperatura) es un tipo especial de interruptor de circuito llamado "termistor" (o resistor térmico). El PTC está hecho de un polímero conductor. En su estado normal el material tiene la forma de un cristal denso con muchas partículas de carbón empacadas. Las partículas de carbón proveen vías conductoras al flujo de corriente. Cuando el material se calienta, el polímero se expande, separando las cadenas de carbono. En el estado expandido, hay unos pocos caminos para la corriente.

Unidad 3 Lección 1

3-1-22


Un PTC es un dispositivo de estado sólido y no tiene partes movibles. Cuando se dispara, el dispositivo permanece en el estado de circuito abierto mientras el voltaje permanezca aplicado al circuito. Este sólo se restaura nuevamente cuando se quita el voltaje y el polímero se enfría.

Resistores

Fig. 3.1.24 Resistores

Algunas veces es necesario reducir la cantidad de voltaje o de corriente en un punto específico del circuito. El modo más fácil de reducir el voltaje o la corriente suministrado a una carga es aumentando la resistencia. Esto se logra agregando resistores. Los resistores vienen en dos tipos: variables y fijos. Los usos más comunes de los resistores en circuitos eléctricos se encuentran en los sistemas de sonido y en los circuitos de control del aire acondicionado, que varían el voltaje al conectar varios resistores. Los resistores se clasifican tanto en ohmios (por la cantidad de resistencia que proveen al circuito), como en vatios (por la cantidad de calor que disipan). E JEM PL OS

RO J O - R O J O - M AR RO N - O RO - 2 2 0½ ±5 %

4a . BAN DA = TO LE RA NC IA E N % 3a . BAN DA = NU M ERO D E CE ROS 2 a. BA NDA = 2o. DIG ITO 1a . BA NDA= 1er. D IGIT O

1a . BA NDA

Tra nsfer ida dire ctam . a núm eros

2a . BA NDA

Tra nsfer ida dire ctam . a núm eros

3a . BA NDA

Co loca pu nto d ecim a l (Núm ero d e ce ros d esp ués de l 2o . díg ito) Si es O RO, d ivida po r 10 Si es P LATA , div ida por 10 0

4a . BA NDA

De term ina to leran cia en %

RO J O - RO JO - O RO - 2. 2½ ±2 0 %

BAN DA 1, 2, 3 NE GRO -0 M A RRO N -1 RO JO -2 NAR AN JA -3 AM AR ILL A-4 VE RDE -5 AZ UL -6 VIO LE TA -7 GRI S -8 BL ANC O -9

4a. BA N DA M AR RO N RO JO O RO P LATA S IN BANDA

± 01 % ± 02 % ± 05 % ± 10 % ±20 %

Fig. 3.1.25 Tabla

La figura 3.1.25 muestra la tabla de códigos de color de identificación de los resistores. Las bandas de color del resistor permiten determinar la clasificación del resistor. Las bandas están más cerca a uno de los extremos del resistor que del otro. Para leer las bandas, el extremo con las bandas de color debe quedar a su izquierda. Las bandas se leen de izquierda a derecha.

Unidad 3 Lección 1

3-1-23


La última banda de color del resistor indica su tolerancia, que se refiere de la cantidad que puede variar el valor actual del resistor respecto a la clasificación especificada, dada como porcentaje de clasificación total. Algunos resistores no tienen banda en esta última posición. Tales resistores tienen una tolerancia de 20% del valor de la resistencia. Algunos circuitos se diseñan con valores precisos de resistencia, y no operarán en forma adecuada si los resistores no tienen estos valores. Por esta razón, no reemplace nunca un resistor con uno de tolerancia más alta. Resistores y vatiajes Debido a que un resistor soporta un flujo de corriente, dentro de éste se produce una fricción eléctrica. Esto crea un calor que el resistor debe ser capaz de disipar. El calor en exceso puede modificar el valor de un resistor, de tal modo, que se sale definitivamente de la gama de clasificación y tolerancia para el que fue diseñado. El vatiaje es la forma en que medimos la cantidad de energía consumida por un resistor. Mientras mayor sea el vatiaje, mayor será la cantidad de calor que puede soportar el resistor. La figura 3.1.26 muestra ejemplos del vatiaje de los resistores. 1/1 0 VAT IO

1/4 VATIO

1/2 VATIO

1 VATIO

2 VATIO S

Fig. 3.1.26 Vatiajes de los resistores

Vatiajes de los resistores Para que un circuito funcione en forma adecuada, los resistores del circuito deben tener la clasificación de vatiaje y resistencia correctos, de no ser así, los resistores y otros componentes pueden sufrir daño. Usted puede identificar el vatiaje de un resistor con una composición de carbón, por su tamaño. Las clasificaciones más comunes son 1/10 de vatio, ¼ de vatio ½ vatio, 1 vatio y 2 vatios.

Unidad 3 Lección 1

3-1-24


Resistores variables 12 V

FU SIBLE (7,5A)

Interrup tor 1

Resistor Variable

Lám p ara G ra nde

Fig. 3.1.27 Resistor variable

Los resistores vistos hasta el momento son de valor fijo, lo cual quiere decir que no se puede modificar su clasificación. Otros resistores son variables (figura 3.1.27), lo que significa que su resistencia puede cambiarse ajustando un control. El control mueve un contacto sobre la superficie de una resistencia. Como la corriente fluye a través de una longitud mayor a la del material del resistor, la corriente diminuye; en tanto que si ésta fluye a través de menos material del resistor, la corriente aumenta. La cantidad de variación y el número de posiciones de la resistencia dependen del diseño del resistor. Algunos tienen solamente dos valores diferentes de resistencia, mientras otros tienen un rango infinito entre sus mínimos y sus máximos valores. Los resistores variables pueden ser lineales o no lineales. La resistencia de un resistor lineal se incrementa de modo uniforme. Cuando el control se fija a un cuarto de su recorrido, la resistencia aumenta a un cuarto de su máximo; cuando el control se fija a la mitad de su recorrido, la resistencia aumenta a la mitad de su máximo. Existen muchas clases de resistores variables. Algunos son los reóstatos, los potenciómetros o los termistores. La figura 3.1.28 muestra el símbolo esquemático de un reóstato.

Fig. 3.1.28 Reóstato

Un reóstato típico tiene 2 terminales y permite flujo de corriente por un solo paso. En las máquinas Caterpillar, el reóstato se usa para controlar la intensidad de las luces de los instrumentos.

Unidad 3 Lección 1

3-1-25


Otro tipo de resistor variable es el potenciómetro. El potenciómetro provee dos pasos para el flujo de corriente y puede controlarse manual o mecánicamente. La figura 3.1.29 muestra un potenciómetro usado en un sistema de combustible. El medidor de combustible mide un valor de resistencia específica del sistema, que corresponde a una condición específica del sistema. La resistencia de salida se mide en el módulo de la pantalla principal y el valor corresponde a la profundidad del combustible en el tanque.

Fig. 3.1.29 Potenciómetro

Un potenciómetro tiene tres terminales y trabaja dividiendo el voltaje entre dos de ellos. Los potenciómetros pueden también diseñarse para trabajar como reóstatos. Termistores Los termistores (resistores térmicos) son un tipo de resistor variable que opera automáticamente. Un termistor está hecho de carbono. A altas temperaturas, la resistencia del carbono disminuye en vez de aumentar. Esta propiedad es útil en ciertos circuitos eléctricos. Los elementos de un termistor se utilizan mucho en los sensores de las máquinas Caterpillar para la medición de temperaturas del sistema. Fallas en los resistores Los resistores de valor fijo pueden tener dos condiciones: funcionan (pasan la cantidad adecuada de corriente) o no funcionan (no pasan la corriente o permiten el paso de exceso de corriente). Por otra parte, los resistores variables poseen un área plana en donde las partes movibles rozan unas contra otras, y causan desgaste. Esto puede evidenciarse como falta de respuesta en una parte del recorrido del resistor. En este punto realice las prácticas de taller 3.1.5 y 3.1.6.

Unidad 3 Lección 1

3-1-26


Fig. 3.1.30 Las cargas se acumulan en las planchas del condensador

Condensador Un condensador es un dispositivo que puede almacenar una carga eléctrica, creando así, un campo eléctrico que a su vez puede almacenar energía. La medición de esta característica de almacenar energía se conoce como "capacitancia". En los sistemas eléctricos Caterpillar los condensadores se utilizan para almacenar energía, como temporizadores y como filtros. Los diseños varían, pero un condensador sencillo puede hacerse con dos planchas de material conductor, separadas por un material aislador o "dieléctrico". Los materiales dieléctricos típicos son el aire, el papel, el plástico y la cerámica. Almacenamiento de energía de un condensador En algunos circuitos, un condensador puede reemplazar una batería. Si en el circuito se instala un condensador con una fuente de voltaje, la corriente fluye brevemente en el circuito mientras se carga el condensador. Esto significa que los electrones se acumulan en la superficie de la plancha conectada al terminal negativo y se alejan de la plancha conectada al terminal positivo. Este efecto continúa hasta que la carga eléctrica del condensador y la fuente de voltaje sean iguales. La velocidad, muy rápida, a la que sucede esto, depende de varios factores que incluyen el voltaje aplicado y el tamaño del condensador. Cuando el condensador se carga al mismo potencial de la fuente de voltaje, se detiene el flujo de corriente. Entonces el condensador puede mantener su carga cuando se desconecta de la fuente de voltaje. Con las dos planchas separadas por un dieléctrico, los electrones no tienen a donde ir. La plancha negativa retiene sus electrones acumulados y la plancha positiva tiene aún un faltante de electrones. De este modo, el condensador almacena energía.

Unidad 3 Lección 1

3-1-27


Un condensador cargado puede distribuir su energía almacenada de la misma forma en que lo haría una batería (aunque es importante señalar que, a diferencia de la batería, un condensador almacena electricidad pero no la crea). Cuando un condensador se utiliza para distribuir una apropiada pequeña cantidad de corriente, el condensador puede distribuir voltaje a un circuito hasta por algunas semanas.

EN SERIE

EN PARALELO

C1 = C1 + C2

C 1 = 1 / (1/C 1 + 1 /C 2 )

Fig. 3.1.31 Cálculo de capacitancia de un circuito

Mediciones del condensador Los condensadores se clasifican por unidades de medida llamadas "faradios" (representados por la letra "F"). El faradio indica la cantidad de electrones que un condensador puede almacenar. El faradio indica una cantidad muy grande de electrones. En el sistema que nosotros usamos, usted verá los condensadores clasificados en "microfaradios" (µF). Un microfaradio es una millonésima de un faradio. Además de los faradios, los condensadores también se clasifican de acuerdo con el voltaje máximo que pueden manejar. Cuando reemplace un condensador, nunca use un condensador con una clasificación de voltaje más baja. Para determinar la capacitancia de un condensador se combinan tres factores: El área de las planchas conductoras Las distancia entre las planchas conductoras El material usado como dieléctrico.

Unidad 3 Lección 1

3-1-28


Cálculo de la capacitancia total La capacitancia total de un circuito depende del diseño de los condensadores del circuito. Cuando los condensadores están en paralelo, la capacitancia total se calcula con la siguiente ecuación: CT = C1 + C2 + C3... Cuando los condensadores están en serie, la capacitancia total se calcula con la siguiente ecuación: CT =

1 1 + 1 C1 C2

NOTA: Cortocircuite siempre los terminales de un condensador antes de conectarlo a un circuito o a un medidor. Esto descargará cualquier residuo que pueda estar almacenado.

C O M P O N E N T E S Y S IM B O LO S E LE C T R IC O S ¥ C om ponen tes Eléctric os B ásicos ¥ C om ponen tes E léctric os de Estad o S ólido ¥ Diagram as Eléctrico s

Introducción: Los circuitos electrónicos modernos usan componentes de estado sólido. En esta lección se verán los componentes eléctricos de estado sólido presentes en las máquinas Caterpillar. Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Demostrar que conoce la función de los componentes eléctricos de estado sólido, seleccionando las respuestas correctas en un examen de escogencia múltiple. Dados un equipo de capacitación y un multímetro digital, probar un circuito eléctrico que contenga un diodo y responder correctamente las respuestas a las preguntas de la práctica correspondiente. Dados un equipo de capacitación y un multímetro digital, probar un circuito eléctrico que contenga un transistor y responder correctamente las respuestas a las preguntas de la práctica correspondiente.

Lección 2: Componentes Eléctricos de Estado Sólido

Lección 2: Componentes Eléctricos de Estado Sólido

Unidad 3 Lección 2

3-2-2


Semiconductores Ya habíamos visto que algunos elementos, como el cobre, son buenos conductores, mientras que otros elementos son pobres conductores, pero buenos aisladores. Sin embargo, existen otros elementos que no son ni buenos conductores ni buenos aisladores. Si un elemento pertenece a este grupo, y además, puede modificarse para convertirse en un conductor útil, recibe el nombre de semiconductor. El silicio y el germanio son los elementos más comúnmente usados como semiconductores. Ejemplos de semiconductores incluyen los diodos, los transistores y los circuitos integrados. Los semiconductores se usan ampliamente en las máquinas Caterpillar, frecuentemente para reemplazar los interruptores mecánicos. Veremos en este curso los diodos y los transistores. Todos lo semiconductores son dispositivos de estado sólido. Un dispositivo de estado sólido es aquel que puede controlar la corriente sin tener piezas móviles, filamentos que se calienten o tubos de vacío. Hay otros dispositivos de estado sólido que no son semiconductores, como los transformadores. M AT E R IA L T IP O - N

M AT E R IA L TIP O - P

Fig. 3.2.1 Unión PN de un diodo

Funcionamiento de los semiconductores Los semiconductores puros tienen los electrones ligados fuertemente en su capa electrónica, de modo que no es posible que los electrones se muevan. En su estado natural, estos elementos no son útiles para conducir la electricidad. Sin embargo, los semiconductores si se mezclan con impurezas pueden convertirse en buenos conductores. Las impurezas afectan la cantidad de electrones que tiene el semiconductor. Dependiendo del tipo de impurezas presentes, el material resultante tendrá ya sea un exceso de electrones libres o una falta de electrones libres. Si el material añadido crea en el semiconductor un exceso de electrones libres, el semiconductor es negativo o de tipo "N". Si el material añadido crea una falta de electrones libres, el semiconductor es positivo o de tipo "P".

Unidad 3 Lección 2

3-2-3


Los semiconductores están formados por capas. Debe existir al menos una capa de material tipo “N” y una capa de material tipo “P”. Estas capas están montadas dentro de una caja de material plástico o de metal. El área entre el material tipo "N" y el material tipo "P" se conoce como la unión “PN” Flujo de corriente a través de los semiconductores Cuando se describe el flujo de electricidad a través de un semiconductor, hay cierta diferencia respecto de otros dispositivos eléctricos. Generalmente, se define el movimiento de la electricidad como el movimiento de electrones libres que se desplazan unos a otros desde el terminal negativo de la fuente de voltaje, a través del conductor, hasta el terminal positivo. Cuando hablamos de los semiconductores, describimos no sólo el flujo de electrones, sino también el flujo de “huecos” o espacios en una capa electrónica hacia el cual es atraído un electrón. El flujo de electrones es relativamente fácil de visualizar. Usted puede pensar en un flujo de bolas de billar que se mueven a través de un canal. El flujo de huecos es un poco más difícil de visualizar.

Fig. 3.2.2 Movimiento de huecos

Piense en el mismo canal, lleno de bolas de billar, tal como se ve en la figura 3.2.2. Una bola se mueve hacia adelante, dejando un hueco en su lugar. La próxima bola se mueve a la posición dejada por la primera bola; al mismo tiempo, se puede decir que el hueco se está moviendo de la posición dejada por la primera bola a la posición dejada por la segunda. A medida que las bolas se mueven en un sentido en el canal, se dice que los huecos se mueven en el sentido opuesto.

Unidad 3 Lección 2

3-2-4


Si no hay voltaje en el semiconductor, los electrones libres de la unión "PN" son atraídos por los huecos del material tipo "P". Algunos electrones atraviesan la unión “PN” para combinarse con los huecos. De igual modo, los huecos del material tipo "P" se puede decir que son atraídos por los electrones libres del material tipo “N". Los huecos, aunque no tienen una característica de partículas en sí mismos, pueden visualizarse como cruzando la unión "PN" para combinarse con los electrones. Región de agotamiento Si no hay un voltaje externo aplicado a los semiconductores, existe un límite de la cantidad de electrones y huecos que atraviesan la unión "PN". Cada electrón que atraviesa la unión deja un átomo que ha perdido un electrón o carga negativa. Este átomo se conoce como ión positivo. Del mismo modo, cada hueco que atraviesa la unión deja un ión negativo. A medida que los iones positivos se acumulan en el material tipo “N”, ejercen una fuerza (un potencial) que evita que salgan más electrones. A medida que los iones negativos se acumulan en el material tipo "P", ejercen un potencial que evita que salgan más huecos. Esto llevará a una condición estable que deja un faltante tanto de huecos como de electrones en la unión "PN". Esta zona es llamada “región de agotamiento”. Voltaje de barrera Cuando se aplica un voltaje al semiconductor "PN" (y suponiendo que el semiconductor del circuito permita el flujo de electricidad. Veánse polaridad directa e inversa en la siguiente lección), los electrones fluyen desde el lado "N", a través de la unión, hasta el lado "P". Los huecos fluyen en la dirección opuesta. El efecto de la unión "PN" o flujo de corriente del circuito depende del orden en que están colocadas las capas de material tipo "P" y "N". El potencial de voltaje a través de la unión "PN" se conoce como voltaje de barrera. El germanio con impurezas tiene un voltaje de barrera de cerca de 0,3 voltios. El silicio con impurezas tiene un voltaje de barrera de cerca de 0,6 voltios.

Unidad 3 Lección 2

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Diodos La forma más simple de un semiconductor es el diodo. El diodo consta de una capa de material tipo "P" y una capa de material tipo “N". Los diodos permiten que la corriente fluya en un solo sentido. En un diagrama, el triángulo en el símbolo del diodo señala el sentido en que la corriente fluye, cuando se usa la teoría convencional del flujo de corriente. Los diodos de los circuitos eléctricos se usan para casi todos los propósitos, incluyendo iluminación, rectificación de corriente y protección contra crestas de voltaje. Anodo / Cátodo

AN OD O

C ATO D O

Fig. 3.2.3 Diagrama de diodo y símbolo de diagrama

La corriente fluye de izquierda a derecha en la figura 3.2.3. Podemos indicar esto con un signo positivo (+) a la izquierda del diodo y un signo negativo (- ) a la derecha del diodo. El lado positivo del diodo se llama ánodo y el lado negativo se llama cátodo. Hay un modo fácil de recordar los nombres "ánodo" y "cátodo." Asocie "ánodo" con +A (el lado positivo) y "cátodo" con -C (el lado negativo). El cátodo es el extremo donde está ubicada la banda. La corriente fluye por el diodo cuando el terminal del ánodo es más positivo que el terminal del cátodo.

Unidad 3 Lección 2

3-2-6


A nod o

P

C áto do

N

Fig. 3.2.4 Diodo de polaridad directa

Polaridad del diodo El término "polaridad" se usa para referirse a la capacidad de un diodo de permitir o detener el flujo de corriente en un circuito. Un diodo de polaridad directa se conecta a un circuito de tal modo que permite el flujo de electricidad. Esto se hace conectando el lado N del diodo (el cátodo) al voltaje negativo, y el lado P (el ánodo) al voltaje positivo. Cuando el diodo se conecta de este modo, tanto los electrones como los huecos son forzados a alcanzar la zona de agotamiento y conectan el circuito. La corriente fluye en la dirección de la flecha, lo que indica que el diodo tiene polaridad directa. Cuando un diodo con polaridad directa se conecta a una fuente de voltaje de este modo, actúa como un interruptor y cierra el circuito. Usted puede pensar que el voltaje está forzando tanto a los electrones como a los huecos en la región de agotamiento, lo que permite que la corriente fluya. Un diodo no será conductor (corriente que fluye) hasta que el voltaje directo (polaridad) alcanza cierto umbral. El voltaje de umbral es determinado por el tipo de material usado en la construcción del diodo. Un diodo de germanio generalmente comienza a conducir la corriente cuando el voltaje directo alcanza aproximadamente 300 milivoltios, mientras que un diodo de silicio requiere aproximadamente 600 milivoltios. Un diodo está limitado por la cantidad de corriente que puede fluir a través de la unión. La resistencia interna del diodo producirá calor a medida que la corriente fluye. Un exceso de corriente producirá demasiado calor y dañará el diodo.

Unidad 3 Lección 2

3-2-7


N

P

Fig. 3.2.5 Diodo de polaridad inversa

Un diodo conectado a un voltaje de modo que la corriente no pueda fluir es un diodo de polaridad inversa. Esto significa que el terminal negativo está conectado al lado P del diodo y el terminal positivo está conectado al lado N. El potencial positivo está en el terminal del cátodo y, por esto, la corriente está bloqueada (en contra de la flecha). Cuando se aplica un voltaje al circuito, los electrones del terminal de voltaje negativo se combinan con los huecos dejados por los electrones del material de tipo “P”. Los electrones del material de tipo “N” son atraídos hacia el terminal de voltaje positivo. Esto aumenta el área de agotamiento. Ya que los huecos y los electrones del área de agotamiento no se combinan, la corriente puede fluir. Cuando un diodo está en polaridad inversa, la región de agotamiento actúa como un interruptor abierto, y bloquea la corriente. Con el terminal negativo conectado al material P, los huecos son atraídos fuera de la región de agotamiento. Con el terminal positivo conectado al material N, los electrones son atraídos del mismo modo fuera de la región de agotamiento. El resultado es una amplia zona que no contiene ni huecos ni electrones que puedan transportar el flujo de corriente. Escape de corriente del diodo En realidad, una muy pequeña cantidad de corriente puede fluir a través de un diodo de polaridad inversa. Si el voltaje es lo suficientemente alto, la estructura atómica dentro del diodo se romperá, y la cantidad de corriente que fluye a través de él aumentará drásticamente. Si la corriente inversa es lo suficientemente grande y dura suficiente tiempo, el calor dañará el diodo. En resumen, si un diodo es de polaridad directa, actúa como una resistencia pequeña o un cortocircuito. Si el diodo es de polaridad inversa, actúa como una resistencia muy grande o circuito abierto.

Unidad 3 Lección 2

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Fig. 3.2.6 Diodo Zener y regulación de voltaje

Punto Zener El voltaje aplicado al cual el diodo falla se llama voltaje inverso máximo o punto Zener. Los diodos se clasifican de acuerdo con este voltaje. Los circuitos están diseñados para incluir diodos con una clasificación lo suficientemente alta para proteger el diodo y el circuito durante la operación normal. Aplicaciones Los usos comunes de los diodos en circuitos eléctricos incluyen: regulación de voltaje (usando diodos Zener) indicadores (usando los LED) rectificación (cambiando la corriente CA a corriente CC) conexiones para controlar crestas y sobretensiones de voltaje que puedan dañar los circuitos de estado sólido (que actúan como circuitos de protección) Diodos Zener y regulación de voltaje Un diodo Zener es una clase especial de diodo que ha sido altamente impurificado durante su manufactura. El resultado es un alto número de electrones libres y huecos de electrones. Este transporte de corriente adicional permite el flujo de corriente inversa cuando se alcanza cierto voltaje de polaridad inversa (el punto de avalancha o punto Zener) . En polaridad directa, el diodo Zener actúa como un diodo regulador. Un diodo Zener común no conduce la corriente en la dirección inversa si el voltaje de polaridad inversa es menor de seis voltios. Pero, si el voltaje de polaridad inversa alcanza o excede los seis voltios, el diodo conducirá la corriente inversa. Este diodo Zener se usa frecuentemente en los circuitos de control de voltaje.

Unidad 3 Lección 2

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Como ejemplo de diodos Zener, veamos un sistema de carga. Los diodos Zener se muestran dentro del alternador. Estos diodos actúan como un mecanismo de seguridad para limitar la salida de estator. Los diodos Zener en los alternadores permiten la conexión a aproximadamente 28 voltios.

-

+

Fig. 3.2.7 Símbolo esquemático de un LED

Diodos luminiscentes (LED) e iluminación Otro tipo de diodo usado con frecuencia como lámpara indicadora es el diodo luminiscente (LED). Al igual que todos los diodos, los LED permiten el flujo de corriente sólo en un sentido. La diferencia está en que cuando se aplica voltaje directo a un LED, el LED emite luz. Varios LED conectados en serie en una disposición especial pueden indicar los números o las letras en una pantalla. Mientras la mayoría de los diodos de silicio necesitan para su conexión cerca de 0,5 ó 0,7 voltios, los LED necesitan aproximadamente de 1,5 a 2,2 voltios. Este voltaje produce corrientes lo suficientemente altas para dañar un LED. La mayoría de los LED pueden manejar sólo alrededor de 20 a 30 mA de corriente. Para prevenir el daño de un LED, un resistor, que limita la corriente, se coloca en serie con el LED. Los LED y las lámparas incandescentes En circuitos eléctricos complejos, los LED son una alternativa excelente para reemplazar las lámparas incandescentes. Los LED producen mucho menos calor y necesitan menos corriente para operar, además que se conectan y se desconectan más rápidamente. En este punto realice la práctica de taller 3.2.1.

Unidad 3 Lección 2

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D1

D2

D3

D4

A

B

R1

Fig. 3.2.8 Puente rectificador de diodo simple

Diodos como rectificadores Los rectificadores cambian la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Algunos diodos se pueden combinar para construir un rectificador de diodos, el cual se conoce también con el nombre de puente rectificador. Rectificador/Generador El uso más común de un rectificador en los sistemas eléctricos Caterpillar está en el alternador. El alternador produce corriente alterna (CA). Como los sistemas eléctricos usan corriente continua (CC), el alternador debe, de algún modo, convertir la corriente CA en corriente CC. Entonces, debe proveerse corriente CC en el terminal de salida del alternador. Los alternadores usan un puente rectificador de diodos para cambiar la corriente CA en corriente CC. El uso de diodos en un alternador se verá con más en detalle en la unidad 4, lección 2. Estudie la figura 3.2.8 en términos de la teoría convencional. Primero, usted debe entender que el voltaje del estator es CA. Eso significa que el voltaje de A alterna entre positivo y negativo. Cuando el voltaje de A es positivo, la corriente fluye de A a la unión entre los diodos D1 y D2. Tenga en cuenta la dirección de las flechas de cada diodo. La corriente no puede fluir a través de D1, pero puede fluir a través de D2. La corriente alcanza otra unión, entre D2 y D4, pero de nuevo la corriente no puede fluir a través de D4, ni retornar a través de D2. La corriente debe pasar a través de la carga del circuito, ya que no puede fluir a través de D4 o D2. (Note que la carga del circuito de este ejemplo simplificado es un resistor. En un sistema de carga real, la carga sería la batería). La corriente sigue a lo largo del circuito hasta que alcanza la unión de D1 y D3.

Unidad 3 Lección 2

3-2-11


Aunque el voltaje aplicado a D1 es de polaridad directa, la corriente no puede fluir a través de él debido a que no hay voltaje positivo en el otro lado del diodo; en otras palabras, no hay potencial de voltaje. La corriente fluye a través de D3, y de allí a tierra en B. Cuando se invierte el voltaje del estator, de modo que el punto B sea positivo, la corriente fluye a través del paso opuesto-reflejo. Ya sea que el voltaje del estator en el punto A sea positivo o negativo, la corriente siempre fluirá de la parte superior a la inferior a través de la carga (R1). Esto significa que la corriente es CC.

EN TR A DA S

S A LIDA S

Fig. 3.2.9 Entrada CA para salida CC de pulso de onda completa

En los generadores los rectificadores se diseñan para tener un diodo de salida (positivo) y un diodo de entrada (negativo) para cada onda alterna de corriente. Este tipo de rectificador se llama de onda completa. En este tipo de rectificador, hay un pulso de CC por cada pulso de CA. El pulso CC generado se llama pulso de onda completa CC, como el de la figura 3.2.9. En este punto realice la práctica de taller 3.2.2

Unidad 3 Lección 2

3-2-12

+ 12V


+ 1 2V

Fig. 3.2.10 Crestas de voltaje generadas en bobinas cuando el campo colapsa

Diodos en protección de circuitos Los dispositivos electromagnéticos tales como los solenoides y relés tienen una característica única, que puede ocasionar crestas de voltaje si no se controlan. La bobina es un dispositivo que crea un campo magnético a medida que la corriente fluye a través de él. Cuando el circuito se abre abruptamente y se quita el suministro de voltaje, el campo magnético que colapsa genera su propio potencial de voltaje. El potencial de voltaje puede ser lo suficientemente alto para dañar algunos componentes del circuito, especialmente los controladores sensibles de estado sólido. Como protección contra estas crestas o sobretensiones, se añaden diodos de sujeción en paralelo con la bobina. Mientras se aplica voltaje al circuito, el diodo estará en polarización inversa y no conducirá la electricidad. Cuando se quita el voltaje y la corriente inducida está fluyendo, el diodo estará en polarización directa y conducirá la corriente. La corriente fluye disipándose en un paso circular a través del diodo y la bobina. La corriente inducida puede causar otros problemas, además de las crestas de voltaje. Los computadores, en las máquinas Caterpillar actuales, efectúan decisiones basados en los voltajes de los circuitos. Los computadores harán decisiones erróneas si los dispositivos electromagnéticos producen voltajes anormales.

Unidad 3 Lección 2

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Pruebas de los diodos Cuando un diodo está funcionando correctamente en un circuito, el diodo actúa como una alta caída de voltaje en un sentido, y como una pequeña caída de voltaje en el otro sentido. Infortunadamente, probar los diodos no siempre es tan simple. De hecho, hay cuatro modos posibles de probar los diodos: Sacar el diodo del circuito (algunas veces esto no es posible) Si el diodo está en un circuito en serie, puede probarse con el circuito desconectado Si el diodo está en un circuito en serie, puede probarse con el circuito CONECTADO. Para un diodo de silicio típico, la caída de voltaje de polarización directa-inversa debe ser de aproximadamente 0,6 voltios. Si el diodo está en un circuito en paralelo, el diodo debe probarse con un medidor análogo y no con un medidor digital. TRANSISTORES El diodo es sólo un tipo de semiconductor. Al combinar varias clases de material semiconductor, podemos crear los transistores. Al igual que los diodos, los transistores controlan el flujo de corriente. Los transistores pueden realizar prácticamente todas las funciones que realizan los tubos de vacío, pero en mucho menos espacio y produciendo muy poco calor. Los transistores son usados en muchas aplicaciones, incluyendo radios, módulos de control electrónico y otros interruptores de estado sólido. Tipos de transistores Hay varias clases de transistores. Pueden dividirse en dos grandes grupos: bipolares y monopolares (también llamados Transistores de Efecto de Campo, o FET). Aunque hay varias diferencias entre estos dos tipos, las diferencias más importantes para nuestro propósito son: * Los transistores bipolares varían la corriente para controlar el voltaje * Los transistores FET varían el voltaje para controlar la corriente Los transistores bipolares son los más comunes en los circuitos eléctricos Caterpillar, así que los estudiaremos con mayor detalle.

Unidad 3 Lección 2

3-2-14

CO LE CT OR

EM IS OR


E M ISO R

BAS E

P

BAS E CO LE CTO R

EM ISO R

N

CO LE CTO R

P

BAS E

CO LE CTO R

EM ISO R

N

P

N

BAS E

Fig. 3.2.11 Transistores bipolares

Diseño de los transistores Al igual que los diodos, los transistores contienen una combinación de capas de material tipo P y N. Sin embargo, los transistores contienen tres capas de material en lugar de dos. Las tres capas tienen una disposición en la cual los materiales de tipo P y N están alternos (ya sea como grupos NPN o PNP). En términos prácticos, esto significa que los diodos tienen dos cables, mientras que los transistores tienen tres. La figura 3.2.11 es una representación simbólica del diseño de un transistor. Emisor, base y colector En la figura 3.2.11, el material de la izquierda se llama emisor. El material del medio se llama base. El material de la derecha se llama colector. Los símbolos de la parte superior de la figura 3.2.11 son los símbolos de diagrama de un transistor. La flecha indica el sentido del flujo de corriente (usando la teoría convencional), y está siempre en el emisor. La flecha señalará en un sentido diferente dependiendo de si el transistor es PNP o NPN. Los transistores FET también tienen tres secciones, conocidas como puerta (que se aproxima a la función de la base), fuente (similar al emisor) y drenaje (de función similar al colector).

Unidad 3 Lección 2

3-2-15


Función básica Un transistor funciona al usar la base para controlar el flujo de corriente entre el emisor y el colector. Cuando el transistor se “conecta” la corriente puede fluir en el sentido de la flecha únicamente. Cuando el transistor se “desconecta” la corriente no puede fluir en ningún sentido. Pasos de la base Es importante tener en cuenta que la conexión de la base de un transistor bipolar controla el flujo de corriente. Aunque la base maneja sólo una pequeña cantidad del flujo de la corriente total (típicamente alrededor de 2% del total), es este flujo de corriente a través de la base lo que permite que la corriente fluya del emisor al colector. ¿Transistor PNP o NPN? Hay un modo fácil de identificar el tipo de transistor sin pensar en el movimiento de los electrones o de los huecos electrónicos. Recuerde que la flecha siempre señala hacia el material de tipo N y hacia afuera del material de tipo P. Así, en un transistor PNP, la flecha señala hacia la base. En un transistor NPN, la flecha señala hacia afuera de la base. En los circuitos eléctricos Caterpillar, son más comunes los transistores NPN que los PNP. Operación de los transistores Cuando se trata de entender cómo funciona un transistor en un circuito específico, hay dos cosas que se deben recordar: Primera, un transistor NPN se conecta aplicando un voltaje a la conexión base, y se desconecta quitando el voltaje de la conexión base. Esto es muy similar a la operación de un relé, el cual se conecta y se desconecta aplicando voltaje a la bobina. Segunda, la corriente a través del circuito base es siempre menor que la corriente a través del circuito colector. Cambiando la corriente base sólo un poco, resulta un cambio grande de la corriente del colector. La corriente a través del circuito emisor es siempre la mayor de todas. De hecho, la corriente del emisor debe ser igual a la corriente base más la corriente del colector. Dicho de otra manera, la corriente del circuito emisor se divide entre el circuito base y el circuito colector.

Unidad 3 Lección 2

3-2-16


Relés de estado sólido CO RR IE NTE D EL EM IS OR (I E )

CO R RIE NTE DE L A BAS E (I B ) CO RR IE NT E DE L CO LE CTO R (I C )

C OR RI EN TE DE L C OL ECT OR (I C )

CO RR IEN TE DE L EM IS OR (I E )

C ORR IE NT E DE L A BAS E (I B )

Fig. 3.2.12

En algunos circuitos, es deseable tener transistores que funcionen como relés. Por ejemplo, en la figura 3.2.12, un interruptor con muy poca corriente controla una lámpara que consume gran cantidad de corriente. Este es un “relé de estado sólido”, y tiene varias ventajas sobre un relé mecánico. El relé de estado sólido puede hacer la conexión o la desconexión más rápido, es más pequeño y no sufre desgaste. Los “relés” de transistores son muy distintos a los relés mecánicos en un aspecto importante. Un relé mecánico actúa como un interruptor que conecta o desconecta completamente la corriente. Un transistor varía el flujo de corriente de acuerdo con la corriente que esté fluyendo a través de la base.

En este punto realice las prácticas de taller 3.2.3 y 3.2.4.

Unidad 3 Lección 2

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Resistores en circuitos con transistores Los resistores se usan con los transistores para varios propósitos. Por ejemplo, usando los resistores, el voltaje suministrado al transistor puede controlarse con precisión, lo cual a su vez produce corrientes de salida precisas. Los resistores usados de este modo son colocados en el circuito base. La segunda función es proteger el transistor. Si los resistores u otras resistencias no se colocaran en los circuitos del resistor y del colector, las corrientes altas podrían destruir el transistor. Terminología de los transistores Hay muchos términos que facilitan hablar acerca de las características de un transistor específico. Por ejemplo, la ganancia de la corriente del transistor determina la relación entre la corriente del circuito del colector y la corriente del circuito de la base. Si un transistor tiene una ganancia de 100 y una corriente base de 10 mA, entonces la corriente del circuito colector es multiplicada por 10, lo que equivale a 1.000mA, o 1A. Los transistores pueden clasificarse de otras formas similares a las de los diodos. Hay clasificaciones para indicar la rapidez con que el transistor puede conectarse o desconectarse, la cantidad de calor que puede manejar y la cantidad de corriente que escapa a través del transistor cuando está desconectado. Otras aplicaciones Los transistores son útiles como dispositivos de conexión/desconexión. Si usted ve un transistor en un circuito eléctrico, posiblemente está funcionando como interruptor. Sin embargo, usted debe saber que los transistores pueden también usarse para amplificar u oscilar la corriente, o para atenuarla.

Unidad 3 Lección 3

3-3-6


FOR MATO A NTE RIO R 10 A

40 5- G Y -1 6

E m palm e

40 5- G Y -1 6

FOR M AT O NU EVO 10 A

4 05- G 9 G Y - 16

E m p a lm e 40 5- G 7 G Y- 16

E m p a lm e 40 5- G 14 G Y -1 6

Fig. 3.3.5 Empalmes

Empalmes El formato PRO/E para empalmes usa dos puntos de conexión para indicar en qué lado está cada cable. El formato de identificación anterior usaba un solo punto para indicar un empalme. El nuevo formato muestra que en el mazo "G", cable 405-G9 GY-16 hay un empalme hacia los dos cables, el "405-G7 GY-16" y el "405G14 GY-16." NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistema de identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado para obtener información más detallada. Algunas de las características encontradas en el reverso del diagrama incluyen: Símbolos e identificación de cables y mazos de los diagramas eléctricos. Símbolos y definiciones de los diagramas eléctricos. Tabla de descripción de cables. Manuales de servicio de los diagramas eléctricos relacionados. Tabla de ubicación de los conectores de los mazos. Especificaciones del interruptor de desconexión de la máquina. Conector del mazo de la máquina y ubicación de componentes, identificados como la silueta de la máquina. Lista de códigos de identificación de componentes (CID) y conversión del código flash. Tabla de ubicación de componentes. Especificación de solenoides y resistores. Lista de identificadores de modalidad de falla (FMI).

Unidad 3 Lección 3

3-3-5


FO RM ATO AN TER IOR ET IQ UE TA DE L CO NE C TO R

E T I Q U E TA D E L C O N E C T O R

H

G

FO RM ATO NUE VO E T IQ U ETA D E L C O N E CT O R E T IQ U E T A D E L C O N E C T O R

G -C1 3E3 379

H-C 7 3E3 382

“H ” es la identifica ción del mazo, la letra “C ” in dica que es conector, "7" es el nú mero d el conector en el m azo, y 3E3382 es el nú mero de pieza d el conector toma

Fig. 3.3.3

Conectores El nuevo formato de identificación de los conectores incluye el código de identificación del mazo (H), identifica el conjunto como un conector (C), identifica el número de conector dentro del mazo (7) e indica el número de pieza del conector (3E3382). NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistema de identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado para obtener información más detallada. FOR M ATO A NTE RIO R F U S IB L E 1 13 -84 90 10 A

FO RM ATO N UEV O H -P 1 2 1 13- 849 0 10 A

Fig. 3.3.4 Componentes

Componentes El método anterior de identificación de los componentes de los diagramas eléctricos contiene el nombre descriptivo y el número de piezas del componente. Los diagramas que utilizan el nuevo formato PRO/E contienen una letra de identificación del mazo (H), un código de señalización (P-12) en donde “P” indica que es una pieza y “12” la posición en el mazo (la pieza número “12” en el mazo “H”), y el número de piezas del componente (113-8490). NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistema de identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado para obtener información más detallada.

Unidad 3 Lección 3

3-3-4


F OR M ATO AN TER IO R C AL I B RE D E C AB L E

C O D IG O DE CO L O R E T IQ UE TA D E CA B L E

169 - P K - 18

FO R M ATO N UE VO CO DIG O DE C O L O R ET IQ UE TA D E CA B L E

C AL IB R E D E C AB L E

16 9 - H5 PK - 1 8

CA B LE #5 E N M AZO “H ”

Fig. 3.3.2 Etiquetas de identificación de cables

Nuevos formatos de los diagramas eléctricos de las máquinas Algunas máquinas Caterpillar usan un nuevo formato para los diagramas del sistema eléctrico. El nuevo formato se llama PRO/E y suministra información adicional del cable, el conector componente y el símbolo de empalme. La siguiente información contiene una descripción del nuevo formato. Etiquetas de identificación de cable La figura muestra el nuevo formato para identificar un cable. El código contiene el número de asignación del cable que identifica el circuito (169), el código de identificación del mazo (H), el número del cable del mazo (5), el código de color (PK) y el calibre del cable (18). NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistema de identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado para obtener información más detallada y precisa.

Unidad 3 Lección 3

3-3-3


Características de los diagramas eléctricos Los diagramas eléctricos Caterpillar contienen gran cantidad de información útil. La información está contenida en ambos lados del diagrama, y el técnico necesita el máximo conocimiento posible para poder leer e interpretar toda la información allí contenida. En este punto, distribuya los diagramas eléctricos entre los estudiantes. Algunas de las características encontradas en la parte delantera del diagrama incluyen: Códigos de color de identificación del circuito Códigos de abreviaturas de colores Descripción de los símbolos Información de los mazos de cables Notas del diagrama y condiciones Coordenadas para la ubicación de componentes Número de pieza de los componentes Explique los diversos tipos de líneas punteadas encontradas en los diagramas eléctricos. La siguiente es una recomendación para aclarar las confusiones asociadas con las líneas punteadas: La líneas punteadas “en colores” representan circuitos accesorios. Use los códigos de identificación de colores encontrados en el diagrama para determinar el circuito. Las líneas gruesas “punteadas dobles” identifican los circuitos y los componentes ubicados en la estación del operador. Se usa una línea punteada (delgada de color negro) para identificar un accesorio, cable o componente (vea la descripción de los símbolos en el diagrama).

Unidad 3 Lección 3

3-3-2


POS

MO TO R

N EG

10 A

S OLEN OIDE

MOTOR

TR AN S IS TOR

T¡

B ATER IA D IS YU NTOR F US IB LE

LUZ

T¡

IN TE R RUP TO R IN TER RU P TO R DE D ES C ON EXIO N D E TEMP E R ATU R A

IN TER RU P TOR ES D E P RE S IO N

IN TER RU P TOR DE PALA NC A

T¡

R ES IS TO RE S

R E OS TATO

P OTE NC IO ME TRO

R ES IS TOR G

IG N

A LT +

R

S

MT R B AT

S EN D MO TO R GR D

A LTER NA DO R

ME DIDOR

RE LE S

TIE RR A

MOTOR D E AR RA N QU E

Fig. 3.3.1 Símbolos de los diagramas eléctricos

Diagramas Los diagramas son básicamente dibujos que, mediante símbolos y líneas de conexión, explican cómo funciona un sistema. Los símbolos se usan para representar los dispositivos o los componentes de los sistemas eléctricos o electrónicos simples o complejos. Los símbolos de los diagramas se usan ampliamente en las publicaciones Caterpillar para el diagnóstico de problemas eléctricos. Los técnicos usan los diagramas para determinar cómo funciona un sistema y sirven de ayuda en el proceso de reparación de un sistema eléctrico. Los símbolos de los diagramas representan gran cantidad de información en un espacio pequeño y su lectura en los diagramas requiere experiencia y práctica. Una aproximación lógica paso a paso del uso de los símbolos de diagramas para la localización y la solución de problemas comienza con un entendimiento del funcionamiento del sistema completo por parte del técnico. Aunque en los diagramas de los circuitos se usa gran cantidad de símbolos eléctricos, la figura 3.3.1 muestra algunos de los símbolos más comunes usados en los circuitos eléctricos Caterpillar.

C O M P O N E N T E S Y S IM B O LO S E LE C TR IC O S ¥ Co m po nen tes Eléctrico s Bá sicos ¥ Co m po nente s Elé ctricos de E stad o Sólido ¥ D iag ram as Eléctric os

Introducción En esta lección se describe y se explica la información disponible para ayudar al técnico en el diagnóstico, la localización y la solución de problemas en los sistemas eléctricos y electrónicos. Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: 1. Demostrar que conoce e interpreta los símbolos de los circuitos eléctricos, e indicará el símbolo gráfico que corresponde a un nombre eléctrico dado. 2. Demostrar que lee e interpreta la información de los diagramas eléctricos. Los diagramas eléctricos usados en esta lección corresponden al Cargador de Ruedas 950F (SENR5019). La lectura y el examen de esta lección tienen como base el diagrama eléctrico de esta máquina. Los materiales de referencia pueden adaptarse fácilmente a otro producto utilizando el diagrama específico de la máquina y modificando el examen para que se ajuste al diagrama correspondiente.

Lección 3: Diagramas Eléctricos

Lección 3: Diagramas Eléctricos

Lección 1: Batería

Lección 1: Batería

S IS TE M A S E LE C TR IC O S D E L A M AQ U IN A ¥ Ba tería ¥ Sistem a de Carga ¥ Sist em a de A rranque

Fig. 4.1.0

Introducción La batería almacena energía para el sistema eléctrico completo y, en caso necesario, produce corriente para los dispositivos eléctricos de la máquina. En esta lección veremos la operación, el diseño y las pruebas de la batería. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Demostrar que conoce la función de la batería en el sistema eléctrico de la máquina, seleccionando la respuesta correcta a las preguntas de un examen de selección múltiple. Dadas una batería y las herramientas apropiadas, hacer las pruebas de la batería y responder correctamente las preguntas de la práctica correspondiente.

Unidad 4 Lección 1

4-1-2

BO RN E TER M ICO


TRA M P A DE P LAC A F UND ID A

G RU PO D E P LAC AS NEG A TIVAS

SEP ARA DO R ELEM EN TO G RU PO DE PLA CAS P O SITIVA S

Fig. 4.1.1 Diseño de la batería

Baterías Una batería almacena energía eléctrica en forma de energía química para ser liberada como energía eléctrica en los sistemas eléctricos de la máquina, como el sistema de arranque, el sistema de carga y los circuitos accesorios. La corriente de la batería se produce por una reacción química entre los materiales activos de las placas de la batería y el ácido sulfúrico presente en el electrolito. La batería es un estabilizador de voltaje del sistema eléctrico y actúa como un acumulador o depósito de energía. Después de un período de uso, la batería comienza a descargarse y no producirá más flujo de corriente. La batería puede recargarse con corriente continua aplicada en el sentido opuesto al flujo de corriente que sale de la batería. En operación normal, la batería se mantiene cargada por la corriente de entrada del alternador. Para una buena operación del sistema, la batería debe cumplir las siguientes funciones: - Suministrar corriente para el arranque del motor - Suministrar corriente cuando la demanda excede la salida del sistema de carga - Estabilizar el voltaje en el sistema durante la operación.

Unidad 4 Lección 1

4-1-3


Diseño de una batería Una batería consta de un número de elementos individuales colocados dentro de una caja de caucho o de plástico duro. Las unidades básicas de cada celda son placas metálicas positivas y negativas, como se ilustra en la figura 4.1.1. Las placas negativas tienen una superficie de plomo, indicadas con color gris, mientras que las placas positivas tienen una superficie de peróxido de plomo, indicadas con color marrón. Las placas positivas y negativas forman grupos de placas conectadas entre sí. En algunas baterías, existe una placa más en el grupo negativo que en el positivo, lo cual permite que las placas negativas formen dos extremos cuando los grupos están interconectados. Otras baterías tienen el mismo número de placas positivas y negativas. Cada placa del grupo se mantiene aislada de las placas vecinas por separadores porosos. Estos separadores permiten un flujo libre de electrolito alrededor de las placas activas. El conjunto completo recibe el nombre de elemento. Los elementos de celdas diferentes se conectan en serie para aumentar el voltaje. Las celdas están separadas unas de otras, de modo que no hay flujo de electrolito entre ellas. Cada celda produce aproximadamente 2,2 voltios, de manera que si 6 celdas se conectan en serie, la batería producirá aproximadamente 13,2 voltios.

64% DE AG UA Grav. Esp. = 1

36% DE A CIDO G rav. Esp. = 1,834

ELECTRO LITO G rav. Esp. = 1 ,270

Fig. 4.1.2 Electrolito de la batería

El electrolito de una batería completamente cargada es una solución concentrada de ácido sulfúrico en agua. El electrolito tiene una gravedad específica de 1,270 a 27°C (80°F), es decir que pesa 1,270 veces más que el agua. La solución tiene cerca de 36% de ácido sulfúrico (H2S04) y 64% de agua (H20).

Unidad 4 Lección 1

4-1-4


Agua de batería La necesidad de utilizar agua pura en las baterías siempre ha sido motivo de controversia. Es un hecho que el agua con impurezas afecta la vida útil y el rendimiento de la batería. Cierto o no, el efecto es significativo dependiendo de la cantidad de minerales que contenga el agua usada en la batería. Generalmente, es mejor para la batería que se use agua destilada en vez de agua de la llave. Bornes de la batería Las baterías tienen bornes positivos y negativos o terminales. El borne positivo es más grande, para evitar que la batería se conecte en polaridad inversa. El terminal positivo tiene un "+" marcado en su parte superior; y el borne negativo tiene un " - " marcado en su parte superior. En otras baterías los bornes se identifican con la marca "pos" y "neg" o anillos plásticos de color rojo para el positivo y negro para el negativo.

BOR NES

TAP AS DE VEN TILACIO N

Fig. 4.1.3 Bornes de la batería y tapas de ventilación

Tapas de ventilación de la batería Cada celda tiene una tapa de ventilación. Algunas baterías tienen tapas de ventilación individuales para cada celda, mientras otras tienen unidades múltiples que conectan tres ventiladores de celda en una unidad simple. Las tapas de ventilación cubren el acceso a los orificios a través de los cuales se puede agregar agua y verificarse el nivel del electrolito. Los orificios de acceso proveen ventilación para el escape de los gases formados cuando la batería se está cargando.

Unidad 4 Lección 1

4-1-5


12 V O L T I O S 6 VOLTIOS

2V

2V

2V

2V

2V

2V

24 V O L T I O S

12 V O L T I O S

12 V O L T I O S

Fig. 4.1.4 Celdas de batería conectadas en serie

Potencial de la batería Cada celda de una batería de almacenamiento tiene un potencial de cerca de 2 voltios. Las baterías de seis voltios contienen tres celdas conectadas en serie, mientras que una batería de 12 voltios consta de seis celdas conectadas también en serie (fig. 4.1.4, diagrama superior). Para obtener voltajes más altos se usan combinaciones de baterías. En la figura 4.1.4. (diagrama inferior) dos baterías de 12 voltios se conectan en serie para proveer 24 voltios.

FLU JO DE CO RR IENTE P RO DU CID O P OR P LA CAS D IF ER EN TE S EN U NA S OL UC IO N D E EL EC TR OL ITO

Fig. 4.1.5 La batería produce flujo de corriente

Funcionamiento de la batería La corriente de la batería se produce por una reacción química entre los materiales activos de las diferentes placas y el ácido sulfúrico del electrolito. Mientras se produce esta reacción química, se produce descarga de la batería. Después de que la mayoría de los materiales activos ha reaccionado, la batería se descarga. La batería deberá recargarse antes de ser usada.

Unidad 4 Lección 1

4-1-6


Es de señalar que baterías del mismo voltaje pueden producir diferentes cantidades de corriente. La razón es que la cantidad de corriente que puede producir una batería depende del número y tamaño de sus placas. A mayor número de placas, mayor reacción química tendrá lugar entre el electrolito y las placas, por tanto, mayor la cantidad de corriente producida. Si dos baterías de 12 voltios tienen un número diferente de placas, la de mayor número de placas podrá suministrar más flujo de corriente y tendrá mayor capacidad. PLACA P O S IT IV A

C O M P O S IC IO N D E L E L E C T R O L ITO

PLACA N E G A T IV A

P bO 2

H2SO4

Pb

CA RGA C O MPLETA

H 2O H2SO4

D ES C A R G A D A C O M P LE T A M E N T E

Fig. 4.1.6 Reacción química

Ciclos de operación Una batería tiene dos ciclos de operación: - de descarga - de carga Ciclo de descarga Cuando una batería está suministrando corriente, se está descargando. Los cambios químicos de una batería que se está descargando son los siguientes: Las placas positivas son hechas de peróxido de plomo (PbO2). El plomo (Pb) reacciona con el radical sulfato (SO4) del electrolito (H2SO4) para formar sulfato de plomo (PbSO4). Al mismo tiempo el oxígeno (O2) en el peróxido de plomo reacciona con el hidrógeno (H) en el electrolito para formar agua (H2O). Las placas negativas son fabricadas de plomo (Pb). El plomo también se combina con los radicales sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo (PbSO4). En el proceso de descarga de la batería, el sulfato de plomo se forma tanto en la placa negativa como en la positiva, y hace similares las dos placas en cuanto a su composición química. Estos depósitos de sulfato de plomo son responsables de la pérdida de voltaje de la celda, ya que el voltaje depende de que las placas positivas y negativas sean diferentes.

Unidad 4 Lección 1

4-1-7


A medida que la batería se descarga, se forma en las placas mayor cantidad de sulfato de plomo y aumenta la cantidad de agua en el electrolito. Observe que aunque el radical (SO4) se separa del electrolito, éste nunca sale de la batería. Por consiguiente, nunca adicione ácido sulfúrico (H2SO4) a la batería. La cantidad extra de sulfato (SO4) puede hacer que la batería se descargue por sí sola a una velocidad más elevada de lo normal. El agua es la única substancia que debe reemplazarse en una batería. D URA NT E LA CAR G A

DUR AN TE L A DES CAR GA

G E NE R AD O R O A L T ER N AD O R A R RA NQ U E E NC E N DID O L U CE S P L AC A P O S IT IV A

P L A CA P O SIT I VA

P L AC A

P L AC A

NE G AT IV A

NE G AT IV A E L E CT R O L IT O

E L E CT R O L IT O SE P A RA D O R

SE P A R AD O R

Fig. 4.1.7 Carga y descarga de la batería

Ciclo de carga Las reacciones químicas que tienen lugar en la celda de la batería durante el ciclo de carga (figura 4.1.7) son esencialmente lo contrario de aquellas reacciones que ocurren durante el ciclo de descarga. El radical sulfato deja las placas y regresa al electrolito, y repone la concentración de ácido sulfúrico. El oxígeno del agua producido en la descarga del electrolito reacciona con el plomo en la placa positiva para formar peróxido de plomo.

A LT +

R

B A TER IA

C AR GA

ALTER NA D OR

Fig. 4.1.8 Carga y descarga de la batería

La batería y el circuito de carga Las baterías operan en un circuito de carga con un alternador. La batería suministra la corriente a los circuitos y comienza a descargarse.

Unidad 4 Lección 1

4-1-8


El alternador envía corriente a la batería para ser recargada. La operación en el circuito de carga varía con la velocidad del motor. Cuando el motor está apagado, sólo la batería proporciona corriente a los circuitos accesorios. A velocidades bajas, tanto la batería como el alternador pueden suministrar la corriente. A velocidades más altas, el alternador debe tomar el control y suministrar la suficiente corriente para operar los accesorios y también recargar la batería. El regulador de voltaje limita el voltaje del alternador a un valor seguro para evitar sobrecargar la batería a velocidades altas.

Fig. 4.1.9 Servicio general de baterías Caterpillar

Electrólisis Cuando una corriente eléctrica fluye a través del agua, las moléculas de agua se separan en sus dos elementos componentes, hidrógeno y oxígeno. Estos dos gases escapan a la superficie y se evaporan en el aire. Lógicamente, baja el nivel de agua. Este proceso se llama electrólisis y ocurre siempre que se carga una batería. Cuando la corriente fluye a través de un electrolito, tiene lugar la electrólisis y disminuye el nivel de agua. Variación de la eficiencia de la batería o tensión entre los bornes El voltaje de la batería no es constante. Una batería de 12 voltios no envía 12 voltios todo el tiempo. Los principales factores que afectan la tensión entre los bornes de una batería incluyen la temperatura y el ciclo de operación. Temperatura Una batería produce corriente debido a reacciones químicas a través del ácido sulfúrico que actúa sobre las placas positivas y negativas. A bajas temperaturas los compuestos químicos no reaccionan tan rápido y por tanto la batería tiene voltaje bajo. La temperatura puede afectar la tensión entre los bornes de la batería. Si la temperatura disminuye, la batería se vuelve menos eficiente y aumentan los requerimientos de arranque del motor.

Unidad 4 Lección 1

4-1-9


A 27°C (81°F) una batería es 100% eficiente; es decir tiene plena energía para el arranque. A -30°C (-22°F) una batería tiene una eficiencia de solamente 30%. Ya que el arranque del motor en temperaturas frías es más difícil, será aun más difícil si hay una temperatura baja en la batería que hará que la salida de la batería sea más pequeña, lo cual aumenta la demanda del motor. Tipos de baterías Básicamente hay dos tipos de baterías utilizadas en vehículos y en equipos pesados: - Convencionales - Libres de mantenimiento Existen baterías que tienen características de ambos tipos y se considera que necesitan poco mantenimiento. Baterías convencionales Las baterías convencionales pueden ser de carga seca o de carga húmeda. Una batería de carga seca contiene elementos cargados completamente, pero no contiene electrolito. Una vez activada llenándola con electrolito, ésta es esencialmente igual a una batería de carga húmeda. Una batería de carga seca retiene toda su carga mientras sus celdas se mantengan libres de humedad. Si se almacena en un lugar seco y protegido del medio ambiente, este tipo de batería, al contrario de la batería de carga húmeda, no perderá parte de su carga en la estantería antes de su uso. La activación de una batería de carga seca generalmente se hace en la bodega donde el distribuidor adquiere la batería. Para asegurarse de que se usa el electrolito correcto y que la batería se activa en forma adecuada, muchos fabricantes proveen un paquete de electrolito a sus baterías de carga seca junto con las instrucciones para su activación. Estas instrucciones deben seguirse cuidadosamente. Las baterías de carga húmeda contienen elementos completamente cargados y se llenan en fábrica con el electrolito. Una batería de carga húmeda no mantendrá su estado de carga completa durante el almacenamiento y debe recargarse periódicamente. Durante el almacenamiento, aunque una batería no esté en uso, tiene lugar una reacción lenta entre el electrolito y las placas, lo que causa pérdida de carga. Esta reacción se llama autodescarga. La velocidad a la que ocurre la autodescarga varía en relación directa con la temperatura del electrolito.

Unidad 4 Lección 1

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Una batería cargada completamente y almacenada a 38°C (103°F) se descargará completamente después de un período de almacenamiento de 90 días. La misma batería almacenada a 15°C (59°F) tendrá solamente una ligera descarga después de 90 días. Por tanto, las baterías de carga húmeda deben almacenarse en el lugar más frío posible, pero no tanto como para congelar el electrolito. Es de anotar que una batería de carga húmeda completamente cargada no se congelará a menos que la temperatura sea menor de -60°C (-76°F), mientras que una batería descargada con una gravedad específica de 1,100 se congelará a -8°C (18°F). Las baterías de carga húmeda almacenadas por largo tiempo sin ser recargadas pueden sufrir daño permanente debido a la formación de una capa dura y densa de cristales de sulfato de plomo en las placas. Para evitar la formación de estos cristales, las baterías de carga húmeda en almacenamiento deberán cargarse completamente cada 30 días.

Fig. 4.1.10 Batería libre de mantenimiento Caterpillar

Baterías libres de mantenimiento En un esfuerzo por reducir el mantenimiento de la batería y fabricar baterías más confiables y de mayor duración, se diseñaron las baterías “libres de mantenimiento”. Una batería libre de mantenimiento se parece a una batería convencional, pero no tiene tapas de llenado, ya que el electrolito se encuentra en su interior completamente sellado. Algunas de estas baterías tienen un indicador del estado de la carga. El indicador es un hidrómetro incorporado con una pequeña esfera verde, la cual flota cuando la gravedad específica del electrolito es de 1,225 o mayor. El indicador se usa también como método fácil y rápido de saber si la batería está cargada o descargada. Para leer el indicador siga las recomendaciones del fabricante.

Unidad 4 Lección 1

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Características de las baterías libres de mantenimiento Ya que el electrolito está sellado internamente, la batería tiene un suministro de por vida. Los niveles de la batería no tienen que revisarse y se eliminan los problemas de sobrellenado o bajo llenado de las celdas. Durante los procesos de carga y descarga se producen gases. Los gases que alcanzan la superficie de la caja son atrapados por el líquido separador de gas, enfriados y condensados, y luego drenados al depósito del electrolito. La presión interna producida es liberada a través de un pequeño orificio ubicado al lado de la tapa. Las baterías libres de mantenimiento tienen grupos de placas como las baterías convencionales, pero los grupos son construidos de manera diferente. Otra diferencia consiste en que las placas son colocadas en fundas que actúan como separadores y también recogen los sedimentos producidos por la descomposición de las placas con el tiempo. Las fundas son puestas juntas y permiten poner el elemento en el fondo de la caja. En contraste, en una batería convencional el elemento no está en el fondo, con el fin de dar espacio al sedimento y poder colectarlo sin tocar las placas. Al tener el elemento descansando sobre el fondo del depósito, se permite que haya más electrolito que cubra las placas, lo cual mejora la eficiencia de la batería. Otra importante diferencia de diseño en las baterías libres de mantenimiento es el material usado para fabricar la rejilla de cada placa de celda. En una batería convencional la rejilla se hace de plomoantimonio, pero en una batería libre de mantenimiento, la rejilla está hecha de plomo-calcio. Esta diferencia de material de la rejilla es la que hace que las baterías de libre mantenimiento no tengan que usar agua. La rejilla de plomo-calcio reduce significativamente la producción de gases y la pérdida subsecuente de agua, comparada con una batería con placas de antimonio. Batería de ciclo profundo Una variación de la batería tipo plomo-ácido utilizada en vehículos y equipo pesado es la batería de ciclo profundo. Esta es también una batería de plomo-ácido, pero está diseñada especialmente para uso en aplicaciones que no pueden incorporar sistemas de carga en el sistema eléctrico y por tanto no pueden mantener la batería cargada. Una batería de ciclo profundo también se usa en aplicaciones en donde la batería permite operar sistemas eléctricos cuando el motor no está funcionando, por ejemplo, una casa rodante.

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Las baterías de ciclo profundo tienen un material activo más denso y placas más gruesas, características que ayudan a mantener el material activo en la rejilla durante los repetidos ciclos de carga y descarga profundos. Para reforzar las placas y reducir los daños por vibración y derramamiento del material activo de la rejilla pueden usarse separadores de vidrio. Como su nombre lo indica, la batería puede descargarse totalmente y recargarse muchas veces sin daño, mientras que una batería estándar para vehículo/equipo pesado se arruinaría muy pronto en estas condiciones de "ciclo profundo". Clasificación de las baterías Distribuya entre los estudiantes el "Manual de servicio de la batería" Cuadernillo (SEBD0625). Revise el capítulo 8. Los factores que influyen en la capacidad de una batería (ejemplo: la cantidad de corriente que puede producir una batería) son el número, el tamaño y el grosor de las placas, así como la calidad y la concentración del electrolito. Las baterías usaron por muchos años el método de clasificación amperio-hora, hasta que la clasificación de la nueva capacidad de las baterías fue adoptado en 1971 por la Society of Automotive Engineers (SAE) y el Battery Council International (BCI). Tres métodos actuales de los valores de clasificación de las baterías de vehículo son: rendimiento del arranque en frío, rendimiento de arranque y capacidad de reserva. Rendimiento del arranque en frío El trabajo básico de una batería es arrancar un motor, lo que implica una descarga alta en amperios por un corto tiempo. Teniendo en cuenta que es más difícil que una batería suministre energía cuando está fría y el motor requiere mayor potencia para encender cuando está frío, la clasificación del arranque en frío se define como: La descarga dada en amperios que una batería nueva, completamente cargada a -18°C (0°F) puede suministrar continuamente por 30 segundos y que permite mantener 1,2 voltios por celda. Muchas baterías de bajo precio pueden proporcionar solamente 200 amperios, mientras baterías más poderosas pueden suministrar más de 1.000 amperios en las mismas condiciones. El rendimiento del arranque en frío de una batería debe igualar los requerimientos de potencia que necesita un motor para arrancar. Si un motor en condiciones de frío requiere 400 amperios para arrancar, obviamente una batería de bajo precio que proporcione solamente 200 amperios sería inapropiada.

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Rendimiento de arranque El rendimiento de arranque a 0°C (32°F) es una nueva clasificación reconocida recientemente por el BCI. El rendimiento de arranque es la descarga dada en amperios que una batería nueva, completamente cargada, a 0°C (32°F) puede suministrar continuamente por 30 segundos y le permite mantener 1,2 voltios por celda. Capacidad de reserva La capacidad de reserva se define como la capacidad de una batería de sostener una carga eléctrica mínima en el evento de una avería en el sistema de carga. Esta es también una medida comparativa de la capacidad de una batería para proveer energía a máquinas que tienen cargas eléctricas residuales pequeñas por largo tiempo y aun tener la capacidad suficiente para arrancar el motor. La clasificación de la capacidad de reserva se define como: Los minutos que una batería nueva, completamente cargada a 26,7°C (80°F) puede descargarse continuamente a 25 amperios y mantener la tensión entre los bornes igual o mayor a 1,75 voltios por celda. Uso y reemplazo de la batería Asegúrese de reemplazar la batería con una de al menos igual capacidad a la original. Una batería más pequeña, aunque puede parecer inicialmente adecuada, fallará eventualmente como resultado de un ciclo excesivo que reduce la vida útil de la batería. Puede necesitarse una batería más grande que la original si se agregan al circuito eléctrico del vehículo accesorios tales como una unidad de aire acondicionado. En casos en que la carga eléctrica es excesiva, puede necesitarse un alternador de salida alta. Este alternador de salida alta puede ayudar a mantener cargada la batería y aumentar así la vida de servicio.

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Fig. 4.1.11 Carga de la batería

Carga de la batería Durante el uso, una batería se halla entre uno de estos dos estados: completamente cargada o completamente descargada. Cuando usted prueba una batería y determina que necesita carga, tendrá que decidir qué método usa para recargarla. Cargadores de batería Cuando un motor está funcionando, la carga de la batería se mantiene por acción del sistema de carga. Sin embargo, ocasionalmente la carga de la batería puede disminuir y, si no se presta atención, la batería no tendrá suficiente energía para arrancar el motor. Cuando la carga de la batería es baja, debe recargarse. La batería puede recargarse ya sea en el vehículo o fuera de él. Existe un número diferente de cargadores de batería clasificados como de corriente constante o de voltaje constante. Cargadores de corriente constante Un cargador de corriente constante suministra una corriente constante o una cantidad de corriente fija a la batería. La cantidad de carga recomendada es de 1 amperio por placa positiva por celda. Por ejemplo, si una batería tiene 5 placas positivas por celda, ésta deberá cargarse a 5 amperios. Muchas baterías que cargan lentamente con un cargador de corriente constante requerirán entre 5 y 6 amperios. Cargadores de voltaje constante Un cargador de voltaje constante suministra a la batería voltaje constante durante el período de carga, por ejemplo, 15 voltios para una batería de 12 voltios. Este cargador podrá cargar la batería a un amperaje más o menos alto cuando la batería está baja y luego, mientras la batería acumula carga, el amperaje tiende a desaparecer casi a cero, mientras la

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batería carga completamente. Los cargadores de voltaje continuo son más comunes que los cargadores de corriente constante. Carga de baterías convencionales Generalmente, el tiempo es el principal factor cuando usted decide si debe cargar la batería con carga lenta o rápida. Obviamente, para la batería es mejor la carga lenta porque usted obtiene un mayor trabajo de carga. Sin embargo, usted no siempre dispone de tiempo (de 24 a 48 horas) para hacer una carga lenta a la batería y en tales casos tiene que hacer una carga rápida. Cargadores lentos de corriente constante Un cargador lento puede ser de corriente constante o de voltaje constante (es más común el de voltaje constante). Los cargadores traen impresa la máxima cantidad de voltaje que pueden producir. Por ejemplo, un cargador de 60 voltios puede usarse en 5 baterías de 12 voltios (60 voltios en total) o 10 baterías de 6 voltios (60 voltios en total). Los términos carga lenta se refieren a un valor de carga de 10 amperios o menos. Cuando hay un número de baterías de diferentes tamaños en el cargador, promedie el valor de la carga. En algunos de los nuevos cargadores, usted no tiene que molestarse contando o promediando las nuevas placas positivas. Estos cargadores tienen una banda amarilla, verde y roja en el indicador de valor de carga y se recomienda fijar el control en la marca verde. Para conectar un cargador de corriente constante, empiece por el cable negro (negativo) del cargador y conéctelo al borne positivo de la última batería. Ahora, usando cables auxiliares en buen estado, conecte las baterías, positivo a negativo para completar el circuito en serie. Verifique de nuevo todas las conexiones girando ligeramente las conexiones de los bornes. Finalmente, conecte el cargador y ajústelo al valor correcto de carga. El estado de la carga de una batería en carga debe revisarse con un hidrómetro dos veces al día, de ser posible. El tiempo total de carga de una batería puede variar de acuerdo con la fuerza de la carga con que se inicia, pero después de 48 horas las baterías deben estar cargadas completamente. Si una batería indica que está completamente cargada antes de 48 horas (su gravedad específica es de 1,275 o más), retírela del cargador.

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Cargadores lentos de voltaje constante Los cargadores de voltaje constante se usan en baterías conectadas en paralelo. El máximo número de baterías que puede manejar un cargador se indica en el cargador. El control de voltaje se ajusta a un voltaje específico, por ejemplo, 15 voltios para una batería de 12 voltios. El cargador registra automáticamente el valor de carga. El valor de carga será alto cuando la batería descargada se conecta primero al cargador, y disminuye gradualmente cuando la batería esté completamente cargada. Cuando se conectan baterías en paralelo a un cargador de voltaje constante, empiece con el polo negativo (negro) del cargador, y conecte éste al borne negativo (-) de la primera batería. Ahora, usando cables auxiliares en buen estado, conecte las baterías negativo a negativo y positivo a positivo. Al igual que con el cargador de corriente constante, verifique la gravedad específica de la carga de la batería dos veces al día y retírela cuando esté completamente cargada. Cargadores rápidos Los cargadores rápidos darán a una batería una carga alta en un corto tiempo, generalmente en no más de una hora. Los cargadores rápidos son portátiles a diferencia de los cargadores lentos que usualmente son de montaje de pared, o se hallan fijos en un banco de trabajo. Los cargadores portátiles rápidos pueden cargar una batería mientras está en la máquina. Generalmente, en un cargador rápido sólo puede cargarse una batería a la vez. Muchos cargadores rápidos modernos tienen también la capacidad de hacer carga lenta de una batería. Precauciones cuando se hace carga rápida Siempre que se cargue una batería, especialmente con carga rápida, nunca permita que el electrolito exceda una temperatura de 51°C (125°F). Observe el color del electrolito cuando se cargan baterías en forma rápida. Con el tiempo, el electrolito de la batería se descolora por la formación de sedimento. Durante una carga rápida el sedimento se agita y puede quedar atrapado entre las placas y causar un cortocircuito. Verifique con el hidrómetro el color del electrolito durante la carga y si el sedimento comienza a aparecer, disminuya el valor de carga.

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Procedimiento correcto de carga de la batería Antes de conectar baterías convencionales a un cargador, asegúrese de que la superficie de la batería esté limpia y tenga el nivel adecuado de electrolito. Todos los cargadores, lentos o rápidos, necesitan una fuente de corriente alterna de 110 voltios. Asegúrese siempre de que el cargador esté desconectado antes de conectarlo a la batería. Cuando conecte cualquier cargador observe la polaridad correcta. Asegúrese siempre de conectar negativo a negativo y positivo a positivo. Muchos cargadores tienen polaridad protegida. Verifique el ajuste de voltaje del cargador antes de conectarlo. En un cargador lento de voltaje constante ajuste el voltaje para adaptarse al número de voltios de las baterías en carga. En un cargador de corriente constante, ajuste el voltaje a 6 ó 12 voltios, dependiendo de la batería en carga. Revise los procedimientos de carga de una batería en la Instrucción Especial "Procedimientos de prueba de las baterías" (SEHS7633). Tiempo de carga Cuando una batería está en carga lenta, revise la gravedad específica dos veces al día para verificar si la batería ha alcanzado la carga completa. No continúe la carga de la batería si la prueba indica que se ha alcanzado la carga completa. Ajuste el tiempo de carga rápida a no más de una hora. Revise que la batería no esté recalentada. Siempre apague el cargador antes de desconectar la batería para evitar cualquier chispa que accidentalmente pueda encender los gases explosivos de hidrógeno que se forman durante la carga. Nunca cargue una batería en un lugar donde haya algún peligro de chispa, como áreas donde se realicen trabajos de soldadura o pulimento. Carga de las baterías libres de mantenimiento Las baterías libres de mantenimiento se cargan utilizando equipo convencional de carga de baterías. Los valores de carga rápida y lenta en las baterías libres de mantenimiento son más bajas y los tiempos de carga proporcionalmente más prolongados. Revise con los estudiantes la Instrucción Especial "Valores de carga de la batería/Tablas de tiempo" (SEHS9014).

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Fig. 4.1.12 Cables auxiliares de arranque

Cables auxiliares de arranque Cuando no hay un cargador disponible, una práctica común para arrancar un vehículo con batería muerta es usar cables auxiliares de arranque y una batería de refuerzo. Antes de conectar los cables auxiliares de arranque, asegúrese de que todos los accesorios eléctricos tales como luces, radio y limpiaparabrisas estén apagados. Observe el voltaje de la batería cuando use cables auxiliares de arranque. Cablee una batería de 6 voltios con una segunda batería de 6 voltios, o cablee una batería de 12 voltios con una segunda batería de 12 voltios. Esto es importante, debido a que existe el peligro de formar arco (voltaico) cuando se conectan los cables auxiliares de arranque, lo que podría causar una explosión de la batería. En sistemas de arranque de equipos para trabajo pesado que usan 2 baterías de 12 voltios en serie para proveer 24 voltios para el arranque, deben tomarse precauciones especiales para evitar daños en los componentes eléctricos mientras usa los cables auxiliares de arranque. Revise las recomendaciones del Manual de Servicio antes de intentar arrancar una máquina con cables auxiliares de este tipo de batería. Usted necesitará dos juegos de cables auxiliares de arranque y dos baterías de 12 voltios. Identifique la polaridad correcta antes de conectar los cables auxiliares de arranque. Conecte los cables auxiliares de arranque, negativo con negativo y positivo con positivo (ya que usted está reemplazando la fuente de energía existente). Conecte los cables auxiliares de arranque en el siguiente orden: 1. Conecte una pinza del cable al terminal positivo de la batería muerta 2. Conecte el otro extremo al terminal positivo de la batería de refuerzo 3. Conecte la segunda pinza al terminal negativo de la batería de refuerzo 4. Entonces, conecte el otro extremo al bloque del motor del vehículo con la batería muerta.

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Cuando quite los cables auxiliares, invierta el procedimiento de conexión y mantenga las pinzas separadas hasta que hayan sido desconectadas de la fuente de energía para prevenir formación de arco. Distribuya copias del artículo de la Revista de Servicio "Procedimientos para el arranque con cables auxiliares” Mayo 28 de 1990 . Mantenimiento de la batería La batería es el corazón del sistema eléctrico. No se pueden realizar pruebas exactas en cualquier parte del sistema eléctrico, a menos que la batería esté funcionando de manera adecuada y completamente cargada. Distribuya copias de los artículos de la Revista de Servicio "Mantenimiento preventivo de las baterías" Marzo 27 de 1989, y "Procedimiento para reemplazar las baterías o los cables de las baterías" Mayo 1 de 1989. Pruebas de las baterías Se deben realizar pruebas a la batería para determinar su funcionamiento. Las pruebas que se realizan a las baterías incluyen: Gravedad específica (prueba química) Prueba de carga Prueba de gravedad específica en baterías convencionales La gravedad específica es la relación del peso de un líquido comparado con el peso del agua. Cuando usted realiza una prueba de gravedad específica de la batería, determina su estado de carga, basado en el porcentaje de ácido en el agua del electrolito. La concentración del electrolito varía directamente con el estado de carga de cada celda. A mayor gravedad específica, mayor capacidad de la batería para producir un potencial eléctrico. Las pruebas de gravedad específica se realizan usando un hidrómetro.

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Fig. 4.1.13 Hidrómetro

Los hidrómetros se calibran para medir correctamente la gravedad específica de un electrolito a una temperatura de 27°C (80°F). Para determinar una lectura corregida de la gravedad específica cuando la temperatura del electrolito es diferente a 27°C (80°F) se deben sumar a la lectura del hidrómetro cuatro puntos de gravedad (0,004) por cada 5,5°C (10°F) por encima de 27°C (80°F), o restar cuatro puntos de gravedad (0,004) por cada 5,5°C (10° F) por debajo de 27°C (80°F). Esto compensa la expansión y la contracción del electrolito por arriba o por debajo de la norma. La gravedad específica de cada celda de batería debe medirse usando el hidrómetro. Si se ha agregado agua recientemente a la batería, el hidrómetro no dará una lectura muy precisa del estado de carga de la batería. Cargue la batería lo suficiente para asegurar una completa mezcla del agua y el electrolito y entonces pruebe las celdas de la batería con el hidrómetro. La gravedad específica de la carga completa varía en los diferentes tipos de baterías. Algunas lecturas típicas son las siguientes: Estado de carga

Gravedad específica

100% 75% 50% 25% 0%

1,280 1,250 1,220 1,190 1,130

El electrolito debe estar claro. Un color marrón opaco indica que el material de la placa se está descomponiendo y que la batería está fallando. Cuando la lectura de la gravedad específica está por debajo de 1,250 (después de la corrección por temperatura), la batería puede estar en condiciones satisfactorias pero su estado de carga es bajo. Cargue la batería antes de realizar pruebas más a fondo.

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Cuando la lectura de la gravedad específica es mayor a 1,280 (después de las correcciones por temperatura), la batería puede estar en condiciones satisfactorias, pero por encima de la carga completa. En uso, la gravedad específica debe volver rápidamente a su gama normal. Realice pruebas más a fondo para determinar la condición de la batería. La variación de la gravedad específica de las celdas puede estar entre 30 y 50 puntos (0,030 a 0,050). Si la variación de las celdas excede esta cantidad, se indica una condición poco satisfactoria. Esto puede deberse a un consumo desigual de electrolito en las celdas, causado por un defecto interno, cortocircuito, activación inapropiada o deterioro por uso prolongado. Normalmente la batería debe reemplazarse. Sin embargo, una batería no puede descartarse basado únicamente en la lectura de la gravedad específica. Deben hacerse pruebas más a fondo. Prueba de gravedad específica en baterías libres de mantenimiento Observe el estado del indicador de carga (si viene incorporado) de la batería para decidir si la batería requiere carga antes de la prueba. Punto verde visible Si el punto verde del indicador del estado de carga de la batería es visible, la carga de la batería y el nivel de fluido están dentro de la gama. En algunas ocasiones, después de arranques prolongados, el punto verde puede aun permanecer visible, pero la batería no tiene suficiente potencia de arranque. Si esto ocurre, cargue la batería. Punto verde no visible Cargue la batería de acuerdo con las especificaciones del fabricante Indicador amarillo En algunas ocasiones, el indicador de prueba puede volverse amarillo, lo cual indica un nivel bajo de electrolito. En este caso la batería no debe probarse, o ser cargada o iniciada con cables auxiliares porque existe una posibilidad alta de que la batería pueda explotar.

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Usando un voltímetro digital, verifique el voltaje de la batería en los bornes de la batería. Si el voltaje de la batería está por debajo de 12,0 voltios, cargue la batería. Use un probador de carga de batería para quitar la carga superficial de la batería. Ajuste el probador de carga a 50% del amperaje de arranque en frío de la batería (CCA) por cinco segundos. Deje pasar cinco minutos antes de hacer la prueba. Verifique el voltaje de la batería en los terminales de la batería. El voltaje debe estar sobre 12,4 V (lo cual indica al menos 75% de carga) antes de realizar una prueba de carga. Si el voltaje es menor a 12,4 V (lo cual indica una carga por debajo de 75%), cargue la batería y realice la prueba de nuevo. Distribuya copias del artículo de la Información Técnica "Las baterías libres de mantenimiento requieren diferentes procedimientos para localización y solución de problemas". Junio 20, 1988.

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Fig. 4.1.14 Probador de carga de la batería

Una prueba de carga es el mejor indicador del estado de la batería. Si el estado de carga es de 75% o mayor, se le puede hacer una prueba de carga (prueba de capacidad) a la batería. Sin embargo, si el estado de carga es menor a 75%, se debe cargar la batería. Procedimientos típicos de prueba de carga: 1. Conecte los cables del amperímetro y del voltímetro del probador como se muestra en la figura 4.1.14. La perilla de control de carga debe estar en posición “desconectada”. 2. Gire la perilla de control a la derecha hasta que la lectura del amperímetro sea la mitad del valor de arranque en frío de la batería o el especificado por el fabricante de la batería. 3. Mantenga la carga por 15 segundos; entonces, anote la lectura del voltímetro y gire la perilla de control a la posición “desconectada”. Si la lectura del voltímetro está dentro de la franja verde, 9,6 V para una batería de 12 voltios, 4,8 V en una batería de 6 V, o es mayor, la batería tiene buena capacidad de salida. No obstante, aunque la batería deba pasar la prueba de carga, ésta puede requerir aun alguna carga para lograr el tope de rendimiento. Cuando una batería está fría, tiene una capacidad de descarga más baja. Si una batería fría falla la prueba de capacidad, permita que alcance 27°C (80°F) y haga la prueba nuevamente. Muestre el video "Procedimiento de prueba de una batería CAT" (SEVN1590) Prueba de voltaje de circuito abierto La prueba de voltaje de circuito abierto puede usarse en baterías libres de mantenimiento para indicar el estado de carga si la batería no tiene un indicador de estado de carga. Para realizar esta prueba, la batería no debe haber sido descargada totalmente o cargada recientemente.

S IS TE M A S E LE C TR IC O S D E L A M AQ U IN A ¥ Batería ¥ Sistem a de Ca rg a ¥ S istem a d e Arranq ue

Introducción El sistema de carga convierte la energía mecánica del motor en energía eléctrica para cargar la batería y suministrar corriente para operar los sistemas eléctricos de la máquina. Esta lección explica el sistema de carga y describe sus componentes. También se verán las pruebas del sistema de carga. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Demostrar que conoce la operación del sistema de carga seleccionando las respuestas correctas a las preguntas realizadas en un examen de escogencia múltiple. Dados un equipo de capacitación o una máquina y las herramientas apropiadas, hacer las pruebas al circuito de carga y responder correctamente las preguntas de la práctica correspondiente. Dados un alternador y un multímetro digital, hacer las pruebas a los componentes eléctricos del alternador en el banco de pruebas y responder correctamente las preguntas de la práctica correspondiente.

Lección 2: Sistema de Carga

Lección 2: Sistema de Carga

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CI RC UI TO D E CA RG A CC

CIR CU IT O DE C AR GA C A

R E G U L AD O R

IN T E RR U P T O R D E L L A VE D E C O N T A CT O RE G U L AD O R

A M P E RIM E T RO

AM P E R IM E T R O G E N E RA D O R

A L T E RN A DO R

TI ER R A T IE R R A B AT E R IA

BA T E RI A

Fig. 4.2.1 Circuitos de carga

Circuitos de carga CA y CC El sistema de carga recarga la batería y produce la corriente durante la operación. Hay dos clases de circuitos de carga: - Circuitos de carga CC, que usan generadores. - Circuitos de carga CA, que usan alternadores. Ambos circuitos generan corriente alterna (CA). La diferencia está en el modo en que convierten la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Los circuitos de carga CC tienen un generador y un regulador. El generador suministra la energía eléctrica y rectifica la corriente mecánicamente usando conmutadores y escobillas. El regulador tiene tres funciones: abre y cierra el circuito de carga, previene la sobrecarga de la batería y limita la salida de los generadores a valores seguros. Los circuitos de carga CA incluyen un alternador y un regulador. El alternador es realmente un generador de CA. Este produce corriente alterna al igual que el generador, pero rectifica la corriente usando diodos. Los alternadores son generalmente más compactos que los generadores de igual salida y suministran una corriente más alta a velocidades bajas del motor. El regulador de un circuito de carga de CA limita el voltaje del alternador a un nivel seguro determinado. La mayoría de los circuitos de carga modernos usan modelos transistorizados.

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ALT +

R

B AT ER IA

C ARG A

BA TE RIA

CA R GA

BA TE RIA

C ARG A

AL TER N ADO R

ALT +

R

A LT ER NA DO R

ALT +

R

A LT ER NA DO R

Fig. 4.2.2 Circuito de carga en operación

Operación de los circuitos de carga Los circuitos de carga operan en tres estados: - Durante el arranque de la batería, suministran toda la corriente de carga. - Durante operaciones máximas, la batería ayuda al generador (o alternador) a suministrar corriente. - Durante la operación normal, el generador (o alternador) suministra toda la corriente y recarga la batería. En ambos circuitos de carga, la batería inicia el circuito al suministrar la corriente al motor de arranque para arrancar el motor (figura 4.2.2, diagrama superior). El motor impulsa el generador (o alternador), el cual produce la corriente de las operaciones de encendido, luces y cargas accesorias del sistema total. El diagrama del centro de la figura 4.2.2 muestra que la batería también suministra corriente durante la operación máxima, cuando las cargas eléctricas son muy altas para el generador (o alternador). Una vez que el motor arranca, el generador (o alternador) provee la corriente a los sistemas eléctricos de la máquina (figura 4.2.2, diagrama inferior). El generador suministra la corriente todo el tiempo que el motor esté funcionando por encima de la velocidad en vacío. Cuando el motor está a la velocidad en vacío o parado, la batería asume parte de la carga o toda la carga. Sin embargo, el alternador continuará suministrando corriente durante el funcionamiento del motor en velocidad en vacío.

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CIR C UIT O D E CA M P O

CIR C UIT O D E CA M P O

Fig. 4.2.3 Generador básico

Generadores Se verán brevemente los generadores en los circuitos de carga de CC. El generador se encuentra en algunas máquinas antiguas. Para dar servicio a estas máquinas, usted debe tener conocimiento de cómo funciona el sistema de carga básico. La mayor parte de esta lección se enfocará en los circuitos de carga de CA, los cuales han reemplazado los circuitos de carga de CC en las máquinas de modelos más recientes. El generador produce energía eléctrica usando inducción electromagnética. La inducción electromagnética se usa para generar electricidad en el sistema de carga. La inducción electromagnética ocurre cuando hay un movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético. A medida que el conductor se corta a través del campo, se induce un voltaje en el conductor. Este voltaje causa un flujo de corriente si el conductor está conectado al circuito. La salida depende de la fuerza del campo magnético, de la velocidad a la que el campo magnético se corta y del número de conductores que cortan el campo. El generador básico tiene dos componentes: Inducido--bucle de cable que gira (conductor). Polos magnéticos-- campo magnético estacionario. A medida que el inducido gira en el campo magnético de los polos, se produce un voltaje. Los extremos del bucle del inducido se conectan a un anillo de dos piezas llamado conmutador. Las escobillas tocan el conmutador y los cables conectan las escobillas a la carga. La corriente fluirá ya que el circuito se completa. Para asegurar una corriente fuerte y un flujo apropiado, los cables se enrollan alrededor de los polos magnéticos y se conectan a las escobillas. El cableado se llama circuito de campo del generador.

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B

A N

S

N

S

A

B

PR IM E R A M IT AD D E L A

SEG UN D A M IT A D D E L A

RE VO LU C ION

RE VO LU C ION

Fig. 4.2.4 Cambio de la polaridad

En este punto, el generador básico produce una corriente alterna, debido a que el inducido invierte la polaridad de la corriente y cambia la dirección del flujo de corriente en cada lado del bucle a medida que éste gira. Durante la primera mitad de la revolución, la parte superior del lado A del inducido corta primero el campo magnético, mientras que la parte inferior del lado B lo sigue. La corriente fluye hacia el lado A y sale del lado B. La teoría convencional (+ a -) nos da la polaridad mostrada "+" para A y "-" para B. Durante la segunda mitad de la revolución, la parte superior del lado B es el borde que va primero, mientras que la parte inferior del lado A la sigue. Ahora B es "-" mientras que A es "+". El extremo del bucle del inducido invierte la polaridad durante cada revolución y el resultado es una corriente alterna. E N E L “P U NT O N EU T RA L” EST AT IC O

N O SE GE NE R A V OL T AJE

E SPA CI OS E NT R E LA S D OS M IT AD E S DE L C ON M U TA DO R

Fig. 4.2.5 El generador convierte CA en CC

El conmutador y las escobillas permiten que la corriente alterna fluya a la carga en la misma dirección. Dos veces durante cada rotación, el inducido está en posición vertical al campo magnético como se muestra en la figura. El bucle del inducido no está pasando a través del campo y no se genera voltaje en este punto. Este es el punto neutral estático.

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El conmutador se divide en dos piezas con las áreas abiertas, que coinciden con los puntos neutrales del inducido como se muestra en la figura. Esto significa que, a medida que el conmutador pasa por las escobillas, hay un espacio de aire. Pasando este punto, la otra mitad del conmutador toca las escobillas. Debido a que la bobina está en la misma posición relativa, al igual que en la revolución una y media anterior, la corriente que fluye a las escobillas permanece en la misma dirección. El resultado es una corriente continua.

Fig. 4.2.6 Regulador de voltaje

Los sistemas de corriente continua automáticamente proveen más corriente de campo a medida que aumenta la salida del generador. Este aumento de la corriente de campo producirá un aumento en la salida del generador. Si se deja sin regular la corriente, el aumento continuo resultará en niveles de corriente y voltaje que dañarán el generador, otros circuitos eléctricos y la batería. El generador no puede controlar la cantidad de voltaje que produce. Por tanto, en el circuito de campo se usa una unidad externa llamada regulador de voltaje. Este tiene una bobina en derivación y puntos de contacto para controlar la fuerza del campo magnético, que limitan de este modo el voltaje generado. Alternador Un alternador opera según el mismo principio de un generador. Este convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El alternador puede llamarse generador de CA. La diferencia entre el generador y el alternador está en el modo en que el alternador rectifica la corriente alterna a corriente continua. El alternador rectifica la corriente electrónicamente usando diodos. Los alternadores son generalmente más compactos que los generadores y pueden suministrar una corriente más alta a velocidades bajas del motor. Como las máquinas de modelos recientes incluyen muchos accesorios eléctricos, el alternador puede proveer mejor la salida de corriente en este aumento de cargas eléctricas.

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A

C IRC UI TO DE CA RG A

B

CA M P O M AG NE T IC O G IR AT OR IO

C AM B IO D E PO LA R IDA D A A

B B

Fig. 4.2.7 Operación del alternador básico

En el alternador, el campo magnético gira dentro del bucle de cable. Este campo magnético giratorio es generado por un rotor. El bucle de cable estacionario es el conductor. Las líneas magnéticas de fuerza se mueven a través de los conductores e inducen el flujo de corriente. Como los conductores son estacionarios, pueden conectarse directamente, sin el uso de escobillas. Esto reduce el desgaste y el calor. El voltaje se induce en un conductor cuando un campo magnético se mueve a través del conductor. Por ejemplo, considere un imán en barra con su campo magnético que gira dentro de un bucle de cable. Con el imán que gira dentro del bucle de cable, y con el polo S del imán directamente debajo de la parte superior del lazo y el polo N directamente sobre la parte inferior del lazo, el voltaje inducido hará que la corriente fluya en el circuito en la dirección mostrada en la figura. Como la corriente fluye del positivo al negativo a través del circuito externo o carga, el extremo del bucle de cable marcado “A” será el de polaridad positiva y el extremo marcado “B” el de polaridad negativa. Después de que el imán de barra se ha movido a través de una revolución y media, el polo N se habrá movido directamente bajo la parte superior del conductor y el polo S directamente sobre la parte inferior del conductor. El voltaje inducido ahora hará que la corriente fluya en el sentido opuesto. El extremo del cable en lazo marcado “A” será ahora el de polaridad negativa, y el extremo marcado “B” el de polaridad positiva. La polaridad de los extremos del cable ha cambiado. Después de la segunda una revolución y media, el imán de barra regresará al punto inicial donde “A” es positivo y “B” es negativo. En consecuencia, la corriente, a través de la carga o del circuito externo, fluirá primero en un sentido y luego en el otro. Esta es corriente alterna producida por el alternador.

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C AM PO

CA M P O

F UE R T E

DE B I L

RO TO R

R OT OR

CO ND U CT O R

E N T RE H IE RR O DE

E NT R E H IE R R O D E

A L T A /B A JA

A L TA /B AJ A

RE L U CT A NC IA

R E L UC T AN C IA

Fig. 4.2.8 Líneas magnéticas de fuerza

Cómo se induce el voltaje Un imán de barra que gira dentro de un bucle de cable simple produce muy poca cantidad de voltaje y corriente. Cuando el bucle de cable y el imán se colocan dentro de un bastidor de hierro se crea un entrehierro conductor en las líneas de fuerzas magnéticas. Como el hierro conduce el magnetismo fácilmente, al añadir el bastidor de hierro aumenta en gran medida el número de líneas de fuerza entre los polos N y S. En el centro de la punta de imán hay un gran número de líneas magnéticas de fuerza. Por tanto, existe un campo magnético fuerte en el centro del imán y un campo magnético débil existe en los bordes de entrada y de salida. Esta condición resulta cuando el espacio de aire entre el imán y el bastidor de campo es más grande en los bordes de entrada y de salida que en el centro del imán. La cantidad de voltaje inducido en un conductor es proporcional al número de líneas de fuerza que cortan el conductor en un período dado de tiempo. El voltaje también aumentará si el imán de barra gira más rápido debido a las líneas de fuerza que cortan el cable en un período de tiempo más corto. El imán que gira en un alternador se llama rotor y el conjunto del bucle de cable y el bastidor se llama estator.

Unidad 4 Lección 2

4-2-10


A1 A

C1

A

B S

A

V OL T AJE D E B UC L E

C1

N

B

B1 B1

A1

A1

0°

90°

C

C

B1B

C1 C

120°

240°

120°

120 °

360°

30°

UN CI CL O

Fig. 4.2.9 Voltaje de bucle

En la figura 4.2.9 se ilustra cómo se produce voltaje de CA en un alternador básico cuando un bucle de cable simple actúa como un devanado de estator y un imán de barra actúa como rotor. Cuando otros dos bucles de cable separados, espaciados 120 grados, se añaden a nuestro alternador básico, se producen otros dos voltajes separados. Con el polo S del rotor directamente debajo del conductor A, el voltaje de A será máximo en magnitud y en polaridad positiva. Después de que el rotor ha girado 120 grados, el polo S estará directamente debajo del conductor B y el voltaje de B será máximo y positivo. Después de otros 120 grados, el voltaje de C será máximo y positivo. Los voltajes positivos máximos de A, B y C en cada bucle de cable ocurren cada 120 grados. Estos voltajes de lazo también se muestran en la figura 4.2.9. A C1

AC 1

A1 B

A1 B

B 1C B 1C CB

AC

VO LT AJE DE F A S E

BA

UN CI CL O

Fig. 4.2.10 Voltaje de fase--Estator en estrella

Cuando los extremos de los bucles de cable marcados A1, B1 y C1 están conectados a los extremos marcados B, C y A respectivamente, se forma un estator básico de devanado “en estrella” trifásico (figura 4.2.10). Los tres voltajes CA (BA, CB y AC) disponibles del estator de devanado en estrella son idénticos a los tres voltajes explicados anteriormente.

Unidad 4 Lección 2

4-2-11


A

B

BA

CB

AC

A

C1

B A 1 B 1C 1 C

V OL TA JE D E F ASE

B1 A1

C U N CI CL O

Fig. 4.2.11 Estator en "Y" --Voltaje de fase

Cuando los extremos de los bucles de cable marcados A1, B1 y C1 se conectan entre sí, se forma un estator básico de devanado en “Y”, trifásico (figura 4.2.11). Cada uno de esos voltajes es el resultado de la suma de los voltajes de dos bucles de cable. Están disponibles tres voltajes de CA espaciados 120 grados del estator Y. En los devanados en estrella, cada uno de los devanados individuales se conecta al extremo de otro devanado (figura 4.2.10). Esto crea conexiones en paralelo en el estator en estrella que generalmente permiten una salida de corriente más alta que en el estator con devanado en “Y”. En el estator con devanado en “Y”, los devanados están conectados para formar pares de conexiones en serie (figura 4.2.11). Las conexiones en serie generalmente proveen voltajes más altos pero salidas de corriente más bajas que en los estatores con devanado en estrella. Para aumentar la salida del alternador son necesarias algunas modificaciones al modelo básico: - aumento del número de conductores en cada uno de los devanados de fase - aumento de la fuerza de los campos magnéticos - aumento de la velocidad de rotación - generación de campos magnéticos.

Unidad 4 Lección 2

4-2-12


B

A

R EC T IF ICA DO R R

B1 A1

C1

T IE RR A

B AT

C B AT E RIA

Fig. 4.2.12 Rectificación trifásica

Rectificación de la corriente Aunque el alternador parece completo, la corriente generada aún es alterna. El sistema eléctrico requiere corriente continua. Para que la salida del alternador sea útil, la corriente debe transformarse de CA a CC. El dispositivo ideal para esta tarea es el diodo. Los principios de funcionamiento de los diodos se vieron en la unidad 3. El diodo es compacto, conduce la corriente sólo en un sentido y puede instalarse fácilmente en la caja del alternador. Los diodos se usan normalmente en el alternador en dos grupos de tres diodos. Como hay tres fases o devanados en el alternador, se requieren tres diodos positivos y tres negativos. En los sistemas que requieren una salida más alta, pueden necesitarse más diodos. Una batería conectada al terminal de salida CC restablecerá su energía a medida que el alternador le provea corriente de carga. La acción de bloqueo de los diodos evita que la batería se descargue directamente a través del rectificador.

4-2-13


V O L T A JE D E BU C L E

Unidad 4 Lección 2

A1A

C1 C

B 1B

8

8

BA

CB

1

3

AC

VO L T A J E DE F AS E

16 5

8

6

2

4

6

Fig. 4.2.13 Estator "Y" --Voltaje de fase

Para propósitos de la explicación, en la figura 4.2.13 las tres curvas de voltaje de CA que provee el estator tipo “Y" se han dividido en seis períodos. Cada período representa la sexta parte de una revolución de un rotor, o 60 grados. A

A

B

B

BA

BA

CO RR IE NT E

BA

BA

TIE M P O

Fig. 4..2.14 Período 1 del estator "Y"

Durante el período 1, el máximo voltaje inducido aparece en el terminal BA del estator. Esto significa que la corriente fluye de B a A en el devanado del estator durante este período, y a través de los diodos, como se muestra en la figura 4.2.14. Supongamos que el voltaje de fase máximo desarrollado de B a A es de 16 voltios. Esto significa que el potencial en B es de 0 voltios y el potencial en A es de 16 voltios. De manera semejante, de las curvas de voltaje, el voltaje de fase de C a B en este instante es de 8 voltios negativos. Esto significa que el potencial en C es de 8 voltios, ya que C a B, u 8 a cero, representa 8 voltios negativos. En este mismo instante, el voltaje de fase de A a C es también de 8 voltios negativos, ya que A a C, o 16 a 8, representan 8 voltios negativos. El potencial de voltaje se muestra en el rectificador.

Unidad 4 Lección 2

4-2-14


C OR RI EN T E C C

Sólo dos de los diodos conducirán la corriente, ya que esos son los únicos diodos en los que la corriente puede fluir en sentido directo. Los otros diodos no conducirán la corriente, debido a que están en polaridad inversa. Los voltajes que hay en el rectificador y la polarización de los diodos determinan los sentidos del flujo de corriente. Esos voltajes están representados por las curvas de voltaje de fase, las cuales son los voltajes que aparecen en los diodos del rectificador. Siguiendo el mismo procedimiento, se pueden determinar los flujos de corriente de los períodos 2 al 6.

BC

BA

CA

CB

AB

AC

BC

T IE M PO

Fig. 4.2.15 Salida de corriente continua

El voltaje obtenido de la combinación estator- rectificador, cuando están conectados a la batería, no es perfectamente plano pero sí es tan uniforme que la salida puede considerarse voltaje de CC sin variación. El voltaje se obtiene de las curvas de voltaje de fase, como se muestra en la figura 4.2.15. R R E CT IF IC AD OR B

A

BAT

T IE RR A

E ST A TO R

C

B AT E RIA

BA

CB

1

3

AC

V O L T AJ E D E F A SE

16 5

8

6

2

4

6

Fig. 4.2.16 Estator en estrella y voltaje de fase

Un devanado de estator tipo estrella para proveer la misma salida de un estator “Y” también proveerá una salida de voltaje y corriente uniforme cuando se conecta a un rectificador de seis diodos. Para propósitos de la explicación, las curvas del voltaje trifásico obtenidas de la conexión en estrella básica para una revolución del rotor se dividen en seis períodos y se reproducen aquí.

Unidad 4 Lección 2

4-2-15


16 16

O B

A

O

15

8 8

C

B A TER IA

Fig. 4.2.17 Fase "Y"

Durante el período 1 (figura 4.2.17), el voltaje máximo desarrollado en el estator se halla en la fase BA. La corriente que fluye a través del rectificador es exactamente la misma que para el estator “Y”, ya que los potenciales de voltaje de los diodos son idénticos. La diferencia entre el estator en estrella y el estator en “Y” radica en que el estator en “Y” conduce la corriente a través de sólo dos devanados desde el principio hasta el final de un período, mientras que el estator en estrella conduce la corriente a través de los tres. La fase BA está en paralelo con la fase BC y CA. Como el voltaje de B a A es 16, el voltaje de B a C a A también debe ser 16 porque se producen 8 voltios en cada una de esas dos fases (B a C y C a A). Siguiendo el mismo procedimiento, se pueden determinar los flujos de corriente en los períodos 2 al 6.

Fig. 4.2.18 Componentes del alternador

Diseño del alternador Como se vio anteriormente, el campo magnético del alternador CA se crea por el conjunto del rotor que gira dentro del estator. Este rotor consta de un eje de rotor, dos mitades de rotor con contactos que crearán los numerosos campos magnéticos, un conjunto de bobina y dos anillos colectores.

Unidad 4 Lección 2

4-2-16


Cuando la corriente pasa a través del conjunto de la bobina, se crea un campo magnético en cada una de las piezas polares del rotor. Una serie de contactos se convertirán en el polo norte, mientras que otra parte se convertirá en el polo sur. Como los contactos del rotor se sobrelapan unos a otros, muchos lazos de flujo individual se formarán entre los polos positivo y negativo del alternador. En vez de que un campo magnético pase por cada devanado durante una revolución del rotor, muchos campos pasarán a través de los devanados, lo cual aumenta la salida del estator. Como se debe suministrar corriente al rotor para crear el campo magnético, el conjunto de la bobina dentro de la pieza polar se conecta a los anillos colectores. Estos anillos colectores permiten que las escobillas puedan usarse para suministrar corriente al campo en movimiento. Los anillos colectores son presionados en el eje y aislados de él. Los conductores de la bobina son soldados a los anillos colectores para formar un circuito completo que está aislado del eje. Debido a que el rotor estará girando a gran velocidad, el rotor debe apoyarse en cojinetes. El extremo delantero del eje tiene un cojinete montado en el conjunto de la caja de mando (figura 4.2.18). Observe la adición de espaciadores para colocar el rotor en la posición correcta una vez que se arma el alternador, lo que impide que el ventilador golpee la caja. Debido a que al generarse electricidad se produce calor, para el enfriamiento se incluye un ventilador que provee un flujo de aire a través del conjunto. Se conecta una polea al extremo del eje del rotor, y se acciona por una correa.

Fig. 4.2.19 Componentes del alternador

La caja del extremo sostiene el extremo de los anillos colectores del eje del rotor y provee una superficie de montaje para las escobillas, el conjunto del rectificador, el estator y el regulador (si existe). La caja terminal del mando con el rotor y la caja del extremo de los anillos colectores con sus componentes se arma como una unidad con el estator entre ellas. Este conjunto se asegura con tornillos de cabeza.

Unidad 4 Lección 2

4-2-17


El conjunto del estator es un anillo de hierro blando, laminado, con tres grupos de bobinas o devanados. Un extremo de cada devanado del estator se conecta a un diodo positivo y a uno negativo. Los otros extremos de los devanados del estator pueden conectarse ya sea en configuración de estator tipo “Y” o en configuración de estator en estrella. El conjunto del rectificador convierte la corriente alterna en corriente continua. Se montan tres diodos positivos y tres diodos negativos en el conjunto del rectificador. El alternador está diseñado para proveer el mínimo de espacio libre entre el rotor y el estator y maximizar así los efectos del campo magnético. Este es un conjunto compacto capaz de generar alto flujo de corriente para satisfacer las necesidades del sistema eléctrico. Las escobillas están en contacto con los anillos colectores de cobre y proveer la corriente necesaria para la producción de los campos magnéticos en el rotor. Como es importante un buen contacto para una buena conductividad, las escobillas son mantenidas contra los anillos colectores por pequeños resortes. Generalmente, hay dos escobillas contenidas en un conjunto de portaescobillas. Este conjunto puede fácilmente sujetarse a la caja extrema de los anillos colectores terminales del alternador.

Fig. 4.2.20 Regulador electromecánico

Regulación de la salida del alternador Si se permitiera que el alternador opere sin control, produciría voltajes altos imposibles de usar en las máquinas, debido a los daños producidos de los componentes. El regulador controla la salida del alternador. El límite de salida de la corriente depende del diseño del alternador y se indica en la caja como la corriente máxima. Por ejemplo, una caja puede tener una etiqueta que la clasifique como de 12V 85A. Esto indica que la salida máxima del alternador es de 85 amperios y está diseñado para un sistema de 12 voltios.

Unidad 4 Lección 2

4-2-18


El circuito de regulación controla la salida de voltaje del alternador, al cambiar la fuerza del campo magnético producido por el rotor. Esto se hace controlando la cantidad de flujo de corriente a través de las escobillas de la bobina del rotor. El regulador es sensitivo al voltaje de la batería y por consiguiente a la carga eléctrica existente en el sistema. El regulador puede entonces ajustar la cantidad de corriente al rotor para satisfacer la demanda. Si el voltaje de la batería es bajo y la demanda de los accesorios eléctricos alta, el regulador de voltaje aumentará la salida del alternador para cargar la batería y proveer suficiente corriente para operar los accesorios. Cuando el voltaje de la batería es alto y las demandas eléctricas bajas, el regulador de voltaje disminuirá la salida del alternador. Hay tres diseños de reguladores del alternador: - electromecánicos (máquinas antiguas) - reguladores externos electrónicos - reguladores integrales electrónicos

En algunos sistemas antiguos se pueden encontrar reguladores electromecánicos. Estos reguladores usan relés para operar los puntos de contacto. El regulador de voltaje de contacto doble controla la salida del alternador al regular la cantidad del flujo de corriente al rotor. Al reducir el flujo de corriente se reducirá la fuerza del campo magnético y resultará una salida más baja del estator. Esta lección se enfocará en los reguladores electrónicos, encontrados en la mayoría de las máquinas actuales.

Unidad 4 Lección 2

4-2-19


Fig. 4.2.21 Regulador electrónico de voltaje

Reguladores electrónicos de voltaje Los reguladores electrónicos de voltaje realizan la misma función de los reguladores electromecánicos. En el regulador electrónico el circuito de campo se conecta y se desconecta por acción de circuitos electrónicos, al controlar los transistores de conexión/desconexión. Estos dispositivos electrónicos pueden conectarse/desconectarse más rápidamente y transportan más corriente que los puntos de contacto de los reguladores electromecánicos. Pueden obtenerse salidas más altas del alternador debido al mayor flujo de corriente a través de los circuitos de campo. Los reguladores electrónicos usan diodos Zener como parte del circuito sensor de voltaje. Estos diodos especiales permiten que la corriente fluya a la inversa del flujo normal cuando se alcanza un voltaje específico a través del diodo. Cuando la corriente fluye hacia atrás, a través del diodo Zener, el transistor de campo se desconecta y el flujo de corriente se detiene en el rotor de campo. Los componentes electrónicos pueden conectarse y desconectarse varios miles de veces en un segundo, y suministrar de este modo, un control más uniforme y exacto de la salida del alternador. La mayoría de los reguladores electrónicos no son ajustables. Si los reguladores no controlan exactamente la salida del alternador, deben reemplazarse.

Unidad 4 Lección 2

4-2-20


AL T E R NA D O R

T E RM IN AL

C AM P O

DE L R E G UL A DO R

INTERRUPTO R DE

T IE RR A

LLAVE DE CONTACTO

MO TOR DE ARRANQUE

B O BI NA D E SA L ID A

E NC E ND I DO

L A M P A RA IN DI CA DO R A

R1

R2 D IO D O D E

D E L A L T ER N AD O R

DE S CA R G A D E CA M P O

R3

DI ST RI B UID O R

TR1 R4 TR2

R5 B A T E R IA

R EG U L AD O R

DIO D O

Rt

Z E N ER

T R AN SI ST O R IZ A DO R7

R8

R9

Fig. 4.2.22 Operación del regulador--Durante el arranque del motor

Operación del regulador electrónico en el arranque del motor Cuando se conecta el interruptor de llave de contacto, se completa el circuito (figura 4.2.22). La corriente de la batería fluye al solenoide de arranque y al interruptor de llave de contacto, como lo muestran las líneas rojas. El interruptor de llave de contacto dirige el flujo de corriente a la lámpara indicadora del alternador y al regulador. A medida que la corriente fluye al regulador, diferentes valores de voltaje determinan la dirección de la corriente. El voltaje a través de los resistores R7 y R8 está por debajo del voltaje crítico del diodo Zener o voltaje de rompimiento. Por tanto, el voltaje detectado en la base del TR2 es el mismo voltaje que en su emisor. La corriente no podrá fluir a través de TR2 (como lo muestran las líneas azules). De esta manera, la diferencia de voltaje en el circuito emisor-base de TR1 permite que la corriente fluya de su emisor a través de su base y su colector. La corriente del colector entonces va a excitar el campo del alternador (línea roja vertical). Al mismo tiempo una pequeña cantidad de flujo de corriente pasa a la tierra del alternador, como lo muestra la línea roja punteada.

Unidad 4 Lección 2

4-2-21


AL T E R NA D O R

T E R M IN A L CA M P O

D E L R E G UL A D O R

INTERRUPTOR DE MO TOR DE

T IE RR A

LLAVE DE

ARRANQUE

CONTACTO

B O B INA SA L ID A

L A M P A RA IN DI CA DO R A

R1

R2 D IO D O DE

D E L A L T ER N AD O R

DE SC AR G A R3

DI ST RI B UID O R

DE CA M P O TR1 R4

TR2

R5

D IO D O

Rt

Z EN E R

B A T E R IA R E G U L AD O R R7

R8

R9

Fig. 4.2.23 Operación del regulador--Transistor TRI conectado

Operación del regulador durante el funcionamiento del motor La operación del regulador al comenzar el funcionamiento del motor (figura 4.2.23) es similar al período de arranque del motor, excepto en que, a medida que aumenta la velocidad del motor, el campo del alternador alrededor del rotor genera un voltaje para suplir las cargas eléctricas. Sin embargo, los valores de voltaje son los mismos y el transistor TR1 aun conduce la corriente al campo del alternador como lo muestra la línea roja vertical. AL T E R NA D O R

RE G U L AT O R

C AM P O

T E RM IN AL INTERRUPTOR DE LLAVE DE CO NTACTO

MOTO R DE ARRANQUE

B O B INA

T IE RR A

SA L ID A

R1

R2 DIO DO DE DE S CA RG A R3

DI ST RI B UID O R

D E CA M P O TR1 R4

TR2

R5

D IO DO

Rt

Z E N ER

B A T E R IA RE G U L A DO R R7

R8

R9

Fig. 4.2.24 Operación del regulador--Transistor TR2 conectado

A medida que opera el motor y los requerimientos de carga comienzan a disminuir, se produce voltaje en el alternador (figura 4.2.24). Esto hace que el voltaje a través de los resistores también aumente. Entonces el voltaje en R7 y R8 aumenta a un valor mayor que el voltaje crítico del diodo Zener. El diodo Zener inmediatamente “se rompe”, para permitir que la corriente fluya en la dirección inversa. Esto “conecta” el transistor TR2 y así la corriente puede fluir a través del emisor, la base y el colector del TR2. Cuando la corriente fluye a través del TR2, el voltaje en la base de TR1 es igual o mayor que en su emisor. Esto impide que la corriente fluya a través de TR1 al campo del alternador, el cual colapsa el campo reduciendo la salida del alternador y protegiendo el circuito.

Unidad 4 Lección 2

4-2-22


El voltaje del sistema cae por debajo del voltaje crítico del diodo Zener y detiene la conducción desconecta el TR2 y conecta el TR1. La corriente fluye de nuevo al campo del alternador. Esta operación se repite muchas veces en un segundo. En efecto, los dos transistores actúan como interruptores que controlan el voltaje y la salida del alternador. Cuando se desconecta el TR1, la corriente de campo del alternador no puede caer inmediatamente a cero, debido a que los devanados del rotor permiten que la corriente continúe fluyendo. Después de que la corriente alcanza cero, el voltaje del sistema y el regulador comienzan el flujo de corriente nuevamente. Sin embargo, el flujo de corriente de campo que disminuye induce un alto voltaje que puede dañar el transistor. El diodo de descarga de campo de la figura 4.2.24 previene daños al transistor TR1, al derivar el voltaje alto del transistor.

Fig. 4.2.25 Regulador interno

Reguladores internos electrónicos Los reguladores internos del alternador se montan ya sea dentro o fuera de la caja del extremo de los anillos colectores del alternador. Este tipo de regulador elimina los mazos de cables entre el alternador y el regulador, lo que simplifica el sistema. Este tipo de regulador usualmente es mucho más pequeño que los otros tipos, y usa circuitos electrónicos conocidos como circuitos integrados o "CI". Los CI son de electrónica miniaturizada con casi todos los circuitos en un pequeño chip. Los reguladores integrales realizan la misma función que los reguladores electrónicos externos y lo hacen del mismo modo. Algunos alternadores con reguladores integrales tienen sólo un cable de entrada. Este cable es la salida del alternador. El circuito a tierra se completa a través de la caja al bloque del motor. El estator provee corriente al regulador integral a través de un triodo. El alternador inicia la carga usando la pequeña cantidad de magnetismo permanente del rotor, pequeña cantidad que es retroalimentada al campo, lo que aumenta la salida. Este proceso continúa hasta que se alcanza la salida completa, determinada por el regulador.

Unidad 4 Lección 2

4-2-23


RE S IST O R IN T ER RU P T O R

L A MPA R A IN DIC A DO RA

B A T E RIA B AT .

T RI O D O

R1 R2

R OTOR

TR2

R3

C1

(C A M P O )

R4

T R1

P UE N T E E ST A T O R

R E CT IF ICA D O R

Fig. 4.2.26 Campo del circuito “A”

Circuitos del regulador Hay dos conexiones de circuito de campo básicas en un alternador: circuito “A” y circuito “B”. Un alternador con circuito tipo “A” (figura 4.2.26) usa dos escobillas separadas en el alternador. Una escobilla va conectada directamente a la batería, mientras que la otra escobilla está conectada a tierra con el regulador y el interruptor o relé de encendido en serie. El regulador está ubicado antes del campo, entre la tierra del campo y el alternador o diodos negativos. La salida completa del alternador se obtiene llevando a tierra los devanados de campo. Algunos alternadores tienen una oreja en un agujero de prueba, de modo que el campo se conecta a tierra colocando un destornillador y uniendo el extremo de la oreja y el bastidor del alternador. Este tipo de circuito se usa con reguladores integrales y con algunos reguladores electrónicos externos. DIODOS

ESTATOR

ALTERNADOR

CAMPO

DIODO DE SEPARACION INTERRUPTOR DE LLAVE DE CONTACTO

TERMINAL DEL REGULADOR

TERMINAL DE CAMPO

TERMINAL DE SALIDA

LAMPARA INDICADORA DEL ALTERNADOR

TR2 TERMINAL TRANSISTORIZADO

Fig. 4.2.27 Campo del circuito “B”

En los circuitos de tipo “B”, una escobilla está a tierra dentro del alternador (figura 4.2.27) y la otra escobilla está conectada a la batería en serie con el regulador y el interruptor o relé de encendido. En un alternador de circuito “B”, el regulador está ubicado después del campo. El flujo de corriente va usualmente desde el terminal del regulador del alternador al regulador.

Unidad 4 Lección 2

4-2-24


Después del regulador la corriente fluye a la bobina de campo en el rotor, luego a tierra, y finalmente al conjunto del diodo negativo o de retorno. La salida completa del alternador se obtiene conectando el terminal de campo al terminal del regulador o terminal de salida.

Fig. 4.2.28 Luz indicadora de carga

Indicadores de carga Los indicadores de carga pueden ser un amperímetro, un voltímetro o una luz indicadora de carga. Los amperímetros pueden instalarse en serie, si son de corriente plena, tipo derivación; o en paralelo, si el amperímetro es de tipo no derivación. Los voltímetros se usan más comúnmente debido a que indican con mayor exactitud la operación del sistema. Pueden instalarse fácilmente en paralelo con el sistema de carga, y proveen información tanto de la operación del sistema de carga como de la condición de la batería. La luz indicadora de carga muestra la operación del sistema en general. No indicará la salida alta del alternador o las condiciones de alto voltaje, sino la salida baja. Prueba del sistema de carga Las pruebas exactas del sistema de carga comienzan con un entendimiento de cómo funciona el sistema. Si el conocimiento de la operación es completo, usted puede determinar por lógica las fallas a través de una inspección visual y de pruebas eléctricas. La reparación de los sistemas puede requerir reemplazo o reparación de alguno de los elementos incluidos en el sistema, desde la batería hasta el alternador. Todas las reparaciones deben comenzar con un estudio o revisión del Manual de Servicio de la máquina en particular.

Unidad 4 Lección 2

4-2-25


Cuando haga las pruebas al sistema eléctrico, un método sistemático le ayudará a realizar reparaciones rápidas. Los sistemas de carga requieren el mismo método de localización y solución de problemas. El reemplazo de piezas sin adecuado método de localización y solución de problemas no es la manera aceptable de encontrar y reparar las fallas del sistema. Verifique la queja Determine exactamente cuál es la queja y verifique que la falla esté ocurriendo. Algunos problemas comunes en los sistemas de carga son: - la batería se descarga y el sistema de carga no está produciendo carga o produce carga baja - la batería está cargando y el sistema de carga está sobrecargándose - hay ruido en el alternador - la luz indicadora de carga permanece encendida o no se enciende Defina el problema Comience con una cuidadosa inspección visual. Revise en busca de: - terminales de batería con corrosión o sueltos - conexiones a tierra dañadas o sueltas en el motor y en la caja - conexiones sucias o sueltas del alternador y del regulador - cables o puentes de fusible quemados - cables dañados, obstruidos, rotos o cortados - evidencia de cortocircuitos o corto a tierra - daño físico del alternador o del regulador - daño en correas o en poleas - olor a quemado de componentes eléctricos Determine si el problema es eléctrico o mecánico. Los alternadores son accionados por correa. Inspeccione las correas impulsoras en busca de tensión, desgaste y daño, asegúrese de que están trabajando bien. Inspeccione las correas en busca de daños, revise las superficies internas y externas y busque las partes agrietadas, desportilladas, vidriosas o faltantes. Inspeccione la polea del alternador en busca de desgaste y cualquier otra polea accionada por las correas. Las fallas prematuras de las correas se deben frecuentemente a poleas desgastadas. Inspeccione la alineación de todas las poleas. Generalmente, la inspección visual mostrará que no están en línea en forma correcta, pero puede necesitar verificarlo con un borde recto contra la polea. Pruebe la correa para verificar la tensión apropiada. Cuando realice el ajuste de las correas o verifique su tensión, asegúrese de no tensarlas demasiado o de dejarlas muy sueltas. Una tensión incorrecta puede ocasionar daños.

Unidad 4 Lección 2

4-2-26


El ruido en la operación puede deberse a correas desgastadas, cojinetes desgastados o a problemas internos, como fricción del rotor en el estator, hojas del ventilador que golpean el alternador o a diodos o a estatores defectuosos. Los problemas mecánicos pueden corregirse reemplazando los componentes defectuosos o reparándolos como sea necesario. Los problemas eléctricos exigen pruebas más detalladas. Continúe la inspección realizando un servicio completo a la batería. El servicio y las pruebas a la batería se vieron en la lección 1. El sistema de carga no funcionará de manera eficaz si la batería está defectuosa. Separe el problema Una vez que haya definido el problema, separe la causa, de modo que pueda hacer las reparaciones necesarias. Las fallas mecánicas pueden ubicarse por inspección o escuchando atentamente. En las fallas eléctricas se requiere hacer pruebas para ubicar la causa. Pruebas del sistema de carga Las pruebas del sistema de carga de la máquina deben realizarse primero para determinar si el alternador debe quitarse y probarse más a fondo. Las pruebas de la máquina incluyen: Prueba de salida del alternador Pruebas del regulador Las pruebas en banco determinan si el alternador debe repararse o reemplazarse. Las pruebas en banco incluyen: Pruebas de los devanados de campo del rotor Pruebas del estator Pruebas del rectificador Pruebas de las escobillas Muestre el video "Prueba del alternador en el motor" (SEVN1591). Distribuya las copias del artículo de la Información Técnica "Prueba de salida del alternador/generador en el motor" Mayo 4, 1987.

S IS TE M A S E LE C TR IC O S D E L A M AQ U IN A ¥ Batería ¥ Sistem a de C arga ¥ Sistem a d e Arran que

Introducción El sistema de arranque convierte la energía eléctrica de la batería en energía mecánica para arrancar el motor. Esta lección explica y describe los componentes del sistema de arranque. También se verán las pruebas realizadas al sistema de arranque. Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante estará en capacidad de: Demostrar que conoce la operación del sistema de arranque seleccionando las respuestas correctas en un examen de selección múltiple. Dados un equipo de capacitación o una máquina y las herramientas apropiadas, hacer las pruebas al circuito de arranque y responder correctamente las preguntas de la práctica acerca de las pruebas realizadas. Dados un motor de arranque y un multímetro digital, hacer las pruebas de los componentes eléctricos del motor de arranque en el banco de pruebas y responder correctamente las preguntas de la práctica acerca de las pruebas realizadas.

Lección 3: Sistema de Arranque

Lección 3: Sistema de Arranque

Unidad 4 Lección 3

4-3-3


S O L E N O ID E ( IN T E RR UP T O R DE L M O T O R) M OTOR D E A R RA NQ U E

B A T E RIA IN TE R R UP TO R D E L L A VE D E

V O L A NT E

CO NT A CT O

Fig. 4.3.1 Circuito de arranque básico

Funcionamiento del sistema de arranque Un sistema de arranque básico consta de cuatro partes: 1. Batería: Suministra la energía al circuito. 2. Interruptor de llave de contacto: Activa el circuito. 3. Solenoide (interruptor del motor): Engrana el mando del motor de arranque con el volante. 4. Motor de arranque: Impulsa el volante para arrancar el motor. Cuando se activa el interruptor de llave de contacto, fluye una pequeña cantidad de corriente desde la batería hasta el solenoide y de regreso a la batería a través del circuito a tierra. El solenoide cumple dos funciones: engrana el piñón con el volante y cierra el interruptor dentro del solenoide entre la batería y el motor de arranque, cerrando el circuito y permitiendo que la corriente fluya al motor de arranque. El motor de arranque toma la energía eléctrica de la batería y la convierte en energía mecánica giratoria para arrancar el motor. El proceso es similar al de otros motores eléctricos. Todos los motores eléctricos producen una fuerza de giro por acción de los campos magnéticos dentro del motor. Debido a que la batería es una pieza fundamental de todo el sistema eléctrico, se trató con profundidad en la lección 1. En esta lección veremos los otros elementos del sistema de arranque comenzando con el motor de arranque.

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F

J LU

CO

R

DE O TE EN RI

S N

Fig. 4.3.2 Fuerzas en una bobina

Motor de arranque Antes de ver los principios de operación básica de los motores de arranque, revisemos algunas reglas básicas acerca del magnetismo: Los polos iguales se repelen; los polos opuestos se atraen. Las líneas de flujo magnético son continuas y ejercen una fuerza. Los conductores que transportan corriente tienen un campo magnético que rodea el conductor en un sentido, determinado por el sentido del flujo de corriente. Recuerde, si una corriente pasa a través de un conductor, se formará un campo magnético. Un imán permanente tiene un campo magnético entre los dos polos. Cuando un conductor que transporta corriente se coloca en un campo magnético permanente, se ejercerá una fuerza en el conductor, debido al campo magnético. Si el conductor se dispone en forma de bucle y se coloca en el campo magnético, el resultado es el mismo. Si el flujo de corriente de la bobina está en sentido opuesto, un lado será forzado hacia arriba, mientras el otro lado será forzado hacia abajo, produciendo en la bobina un efecto de torsión o par.

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P IEZ AS P OL AR ES

C AM PO M AGN ET IC O

Fig. 4.3.3 Piezas polares

Principios del motor de arranque Las piezas polares del conjunto del bastidor de campo pueden compararse con los extremos de un imán. El espacio entre los polos es el campo magnético.

DE VA NA DO D E CA M PO

Fig. 4.3.4 Devanado de campo

Si un cable con corriente llamado devanado de campo se enrolla alrededor de las piezas polares, aumenta la fuerza del campo magnético entre los polos.

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Fig. 4.3.5 Bucle de cable

Si conectamos la corriente de la batería a un bucle de cable, también se formará un campo magnético alrededor del cable.

Fig. 4.3.6 Bucle de cable en un campo magnético

Si un bucle de cable se coloca en un campo magnético entre las dos piezas polares y se pasa corriente a través del bucle, se crea un inducido simple. El campo magnético alrededor del bucle y el campo entre las piezas polares se repelen, lo que hace que el bucle gire.

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C ON MU TA DO R

E S C OB ILLAS

Fig. 4.3.7 Inducido simple

Un conmutador y algunas escobillas se usan para mantener el motor eléctrico girando, al controlar la corriente que pasa a través del bucle de cable. El conmutador sirve como una conexión eléctrica conmutable entre el bucle de cable y las escobillas. El conmutador tiene varios segmentos, aislados unos de otros. Las escobillas se montan sobre el conmutador y se deslizan sobre él para transportar la corriente de la batería a los bucles de cables que giran. A medida que los bucles de cable giran lejos de las zapatas polares, los segmentos del conmutador cambian las conexiones eléctricas entre las escobillas y los bucles de cable. Esto invierte el campo magnético alrededor de los bucles de cable. El bucle de cable es empujado nuevamente y pasa a la otra pieza polar. El cambio constante de conexión eléctrica mantiene el motor girando. Se realiza una acción de empujar y jalar alternadamente, a medida que cada bucle se mueve alrededor dentro de las piezas polares. Para aumentar la potencia del motor y la uniformidad se usan varios bucles de cable y un conmutador con varios segmentos. Cada bucle de cable se conecta a su propio segmento en el conmutador para proveer flujo de corriente a través de cada bucle de cable cuando las escobillas tocan cada segmento. A medida que el motor gira, los bucles de cable contribuyen al movimiento para producir una fuerza de giro continua y uniforme.

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Fig. 4.3.8 Inducido

Un motor de arranque, a diferencia de un motor eléctrico, debe producir un par muy alto y alta velocidad relativa. Por tanto, es necesario un sistema que sostenga los bucles de cable y aumente la fuerza del campo magnético producido en cada bucle. Un inducido del motor de arranque consta de un eje del inducido, un núcleo del inducido, un conmutador y los devanados del inducido (bucles de cable). El eje del motor de arranque mantiene en su lugar el inducido, a medida que gira dentro de la caja del motor de arranque. El conmutador se monta en un extremo del eje del inducido. El núcleo del inducido mantiene los devanados en su lugar. El núcleo está hecho de hierro para aumentar la fuerza del campo magnético producido por los devanados.

Fig. 4.3.9 Devanados de campo

Un devanado de campo es un enrollado de cables aislados y estacionarios, de forma circular, que crea un fuerte campo magnético alrededor del inducido del motor. Cuando fluye la corriente a través del devanado de campo, el campo magnético entre las piezas polares aumenta en gran cantidad. Este campo puede ser de 5 a 10 veces el campo del imán permanente. A medida que el campo magnético entre las zapatas polares actúa contra el campo producido por el inducido, el motor gira con potencia adicional.

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Características del motor de arranque Los motores de arranque son motores eléctricos de trabajo intermitente de alta capacidad, que se comportan con características específicas cuando están en operación: Si se requieren para energizar ciertos componentes mecánicos (o carga), los motores eléctricos consumirán cantidades específicas de potencia en vatios. Si se quita la carga, la velocidad aumenta y la corriente disminuye. Si la carga aumenta, la velocidad disminuye y la corriente aumenta, lo que permite baja resistencia y alto flujo de corriente. La cantidad de par desarrollada por un motor eléctrico aumenta a medida que aumentan los amperios que fluyen a través del motor eléctrico. El motor de arranque está diseñado para operar por cortos períodos de tiempo con carga extrema. El motor de arranque produce, para su tamaño, una potencia muy alta. La Fuerza Contraelectromotriz (CEMF) es la responsable de los cambios en los flujos de corriente a medida que cambia la velocidad del motor de arranque. La CEMF aumenta la resistencia del flujo de corriente desde la batería, a través del motor de arranque, a medida que aumenta la velocidad del motor de arranque. Esto ocurre, porque a medida que los conductores del inducido son forzados a girar, se cortan a través del campo magnético creado por los devanados de campo. Esto induce un contravoltaje en el inducido que actúa contra el voltaje de la batería, este contravoltaje aumenta a medida que la velocidad del inducido aumenta. Este contravoltaje actúa como control de velocidad y evita el funcionamiento a velocidad libre alta. Aunque la mayoría de los motores eléctricos tienen alguna forma de dispositivo de protección a la corriente del circuito, no la tienen la mayoría de los motores de arranque. Algunos motores de arranque tienen protección térmica por medio de un interruptor termostático sensible al calor. El interruptor termostático se abre cuando la temperatura sube, debido a un giro excesivo del motor de arranque, y se reajusta automáticamente cuando se enfría. Los motores de arranque se clasifican como motores de operación intermitente. Si fueran motores de operación continua, necesitarían tener el tamaño de un motor diesel. Debido al alto par que se necesita en un motor de arranque, durante la operación se produce una gran cantidad de calor. La operación prolongada del motor de arranque causará daño interno debido al alto calor producido. Todas las partes de un circuito eléctrico de un motor de arranque son muy pesadas para poder manejar el alto flujo de corriente asociado con su funcionamiento. Si cargas más altas requieren mayor potencia para operar, entonces cada motor de arranque debe tener suficiente par, con el fin de proveer la velocidad de giro necesaria para arrancar el motor. Esta potencia está relacionada directamente con la fuerza del campo magnético, ya que la fuerza del campo es la que crea la potencia.

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CO R R I E NT E D E L A B A T E RI A E S C O B IL L A

D E VA N AD O D E CA M PO

D E V AN A DO DE C AM PO

CO N M UT AD O R T I E R RA S

Z AP AT A P OLA R

Fig. 4.3.10 Circuitos del motor de arranque

Como ya se describió, los motores de arranque tienen una parte estacionaria (devanado de campo) y una parte en rotación (el inducido). Los devanados de campo y el inducido están generalmente conectados juntos, de modo que toda la corriente que entra al motor pasa por el campo y el inducido. Este es el circuito del motor de arranque. Las escobillas proveen un método de transporte de la corriente desde el circuito externo (devanados de campo) al circuito interno (devanados del inducido). Las escobillas están contenidas en los portaescobillas. Normalmente, la mitad de las escobillas están a tierra a un extremo del bastidor, y la otra mitad están aisladas y conectadas a los devanados de campo. Los campos de los motores de arranque pueden cablearse juntos en cuatro diferentes configuraciones para proveer la fuerza de campo necesaria: - en serie - compuesta (derivador de corriente) - en paralelo - en serie-paralelo Los motores de arranque con devanados en serie (figura 4.3.10) pueden producir un par de salida inicial muy alto cuando se conectan por primera vez. Este par disminuye entonces a través de la operación debido a la fuerza contraelectromotriz, la cual disminuye el flujo de corriente, ya que todos los devanados están en serie. Los motores compuestos tienen tres devanados en serie y un devanado en paralelo. Esto produce un par inicial bueno para el arranque y la ventaja de algunos ajustes de carga debido al devanado en paralelo. Este tipo de motor de arranque también tiene la ventaja de controlar la velocidad debido al campo en paralelo. Los motores de arranque con devanados en paralelo proveen un flujo de corriente alta y par alto al dividir los devanados en serie en dos circuitos en paralelo. Los motores de arranque en serie-paralelo combinan las ventajas tanto de los motores en serie como de los de paralelo.

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La mayoría de los motores de arranque tienen cuatro campos y cuatro escobillas. Los motores de arranque que producen un par muy alto pueden tener hasta seis campos y seis escobillas, mientras que algunos motores de arranque para trabajo liviano pueden tener sólo dos campos. La mayoría de los motores de arranque para trabajo pesado no están a tierra por medio de la caja del motor de arranque. Este tipo de motor de arranque está a tierra a través de un terminal aislado que debe conectarse a la tierra de la batería para que el motor de arranque funcione. Un cable a tierra para el solenoide y otros dispositivos eléctricos del motor deben también conectarse al terminal a tierra del motor de arranque para tener una operación eléctrica apropiada.

Fig. 4.3.11 Mando del motor de arranque

Hasta aquí hemos visto los componentes eléctricos del motor de arranque. Después de que la potencia eléctrica se transmite al motor de arranque, se necesitan algunos tipos de conexiones para poner esta energía a trabajar. El mando del motor de arranque hace que se pueda usar la energía mecánica producida por el motor de arranque. Aunque el par producido por el motor de arranque es alto, no puede arrancar el motor directamente. Deben usarse otros medios para proveer tanto la velocidad de giro adecuada como el par necesario para el arranque. Para proveer el par adecuado para el arranque del motor, se modifica la velocidad del motor de arranque mediante la relación entre el engranaje del piñón del motor de arranque y el volante del motor. Esta relación varía entre 15:1 y 20:1. Por ejemplo, si el engranaje del mando del motor de arranque tiene 10 dientes, la corona puede tener 200 para proveer una relación de 200:10 ó 20:1. Mecanismos del mando del motor de arranque Si el motor de arranque permitiera conectar el volante después de que el motor arranca, el inducido se dañaría debido a la alta velocidad producida cuando aumentan las rpm del motor. A velocidad muy alta, el inducido dañaría los devanados debido a la fuerza centrífuga.

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El engranaje que conecta e impulsa el volante se llama engranaje de piñón. Del modo como se conecte el engranaje del piñón del motor de arranque con la corona del volante depende el tipo de mando usado. Los engranajes de piñón del motor de arranque y su mecanismo de mando pueden ser de dos tipos: - mando de inercia - embrague de sobrevelocidad Los mandos de inercia son accionados por una fuerza de giro cuando el inducido gira. Este tipo de mando se conecta después de que el motor comienza a moverse. El manguito del mando tiene un tornillo enroscado de paso grueso conectado al mando, el cual se ajusta a la rosca dentro del piñón. A medida que el motor comienza a girar, la inercia creada en el mando hace que el piñón se mueva a través de la rosca hasta que se conecte con la corona del volante. Usted puede imaginar esta acción como cuando gira una tuerca pesada en un perno y viendo cómo cambia el movimiento giratorio a movimiento lineal a medida que la tuerca se mueve hacia arriba y hacia abajo. Una desventaja de los motores de arranque por inercia es que el piñón no se conecta completamente antes de que el motor de arranque comience a girar. Si el mando no se conecta con el volante, el motor de arranque girará a alta velocidad sin arrancar el motor y si el piñón arrastra, golpeará el engranaje con tal fuerza que dañará los dientes.

Fig. 4.3.12 Embrague de sobrevelocidad

El mando con embrague de sobrevelocidad es el tipo más común de mando de embrague. El mando de embrague de sobrevelocidad requiere una palanca para mover el piñón al engrane con la corona del volante. El piñón se conecta con la corona del volante antes de que comience a girar el inducido.

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Con este tipo de sistema de mando, debe usarse otro método para prevenir la sobrevelocidad del inducido. Una palanca empuja el mando hacia afuera para desconectarlo, mientras que un embrague de sobrefuncionamiento previene la sobrevelocidad. El embrague de sobrefuncionamiento traba el piñón en un sentido y lo desconecta en el otro sentido. Esto permite que el engranaje de piñón gire la corona del volante para el arranque. También permite que el engranaje del piñón se desconecte del volante cuando el motor comienza a funcionar. El embrague de sobrefuncionamiento consta de rodillos mantenidos en su posición por acción de resortes contra un embrague de rodillos. Este embrague de rodillos tiene rampas cónicas que permiten que el rodillo trabe el piñón al eje durante el arranque. El par pasa a través de la caja del embrague y se transfiere por los rodillos al engranaje del piñón. Cuando el motor arranca y la velocidad del piñón de mando excede la velocidad del eje del inducido, los rodillos se empujan hacia abajo de las rampas y hacen que el piñón gire independientemente del eje del inducido. Una vez que el piñón de mando del motor de arranque se desconecta del volante, y no hay tensión de resorte en operación, forzará a los rodillos a entrar en contacto con las rampas para quedar listos para la siguiente secuencia de arranque. Hay varias tareas pesadas diseñadas para este mando. R EL E D E A RR AN QU E

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Fig. 4.3.13 Diagrama del sistema de arranque

Controles del circuito de arranque El circuito de arranque contiene dispositivos de control y de protección. Todos ellos son necesarios para mantener la operación intermitente del motor de arranque y prevenir la operación durante algunas modalidades de operación de la máquina, por razones de seguridad. El circuito eléctrico del motor de arranque generalmente consta de los siguientes dispositivos: - batería - cables y conexiones - interruptor de llave de contacto - interruptor de seguridad neutral/interruptor de seguridad del embrague (si está equipado) - relé de arranque - solenoide de arranque

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Batería La batería suministra toda la energía eléctrica que hace que el motor de arranque arrancar el motor. Es importante que la batería esté completamente cargada y en buenas condiciones si se desea que el motor de arranque funcione con todo su potencial. Conexiones El flujo alto de corriente a través del motor de arranque requiere cables del tamaño adecuado que permitan una resistencia baja. En los circuitos en serie, cualquier resistencia extra en el circuito afectará la operación de la carga, debido a la reducción del flujo de corriente total en el circuito. En algunos sistemas, los cables conectarán la batería al relé, y del relé, al motor de arranque, mientras que en otros sistemas el cable irá directamente de la batería al motor de arranque. Los cables a tierra deben tener el tamaño adecuado para manejar el flujo de corriente. Todos los conectores y las conexiones del sistema del motor de arranque deben tener la más baja resistencia posible. Interruptor de llave de contacto El interruptor de llave de contacto activa el motor de arranque al proveer energía al relé de arranque desde la batería. Este puede operarse directamente con una llave o un botón, o en forma remota con una conexión desde un control activado con llave. El interruptor de llave de contacto puede montarse en el conjunto del tablero de instrumentos o en la columna de la dirección.

Fig. 4.3.14 Interruptor de llave de contacto

Interruptor de seguridad en neutral o interruptor de seguridad del embrague Todos los vehículos están equipados con una transmisión automática o manual que requiere un interruptor de seguridad neutral que sólo permita el arranque en operación de estacionamiento o en neutral. Este interruptor puede montarse en la transmisión, en la palanca de cambios o en el varillaje. El contacto del interruptor está cerrado cuando el selector de la transmisión está en estacionamiento o en neutral y abierto cuando el selector de la transmisión está en cualquier velocidad.

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Algunos vehículos pueden utilizar un interruptor de seguridad del embrague que está abierto cuando el embrague se encuentra en la posición conectada, y cerrado cuando el operador tiene pisado el pedal del embrague. Esto previene la operación del arranque cuando el embrague está conectado. Algunas transmisiones también usan un interruptor de engranaje en neutral que previene la operación de arranque, a menos que la transmisión esté colocada en la posición neutral. Todos los interruptores de seguridad deben mantenerse en buenas condiciones de operación y nunca deben derivarse o quitarse.

Fig. 4.3.15 Relé de arranque

Relé de arranque El relé de arranque (interruptor magnético) puede usarse en algunos sistemas de arranque. Está ubicado entre el interruptor de llave de contacto y el solenoide de arranque. Es un interruptor magnético activado por la energía suministrada por la batería a través del interruptor de llave de contacto. Los relés generalmente están ubicados lo más cerca posible entre el motor de arranque y la batería. El relé del motor de arranque usa una corriente pequeña desde el interruptor de llave de contacto para controlar la corriente alta al solenoide de arranque, el cual reduce la carga en el interruptor de llave de contacto. Energizando los devanados del relé, hará que el émbolo sea empujado hacia arriba debido al magnetismo causado por el flujo de corriente a través de los devanados. Los discos de contacto también serán empujados hacia arriba y harán contacto con la batería y los extremos de los terminales del motor de arranque. La corriente fluirá desde la batería al solenoide de arranque.

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Fig. 4.3.16 Solenoide del motor de arranque

Los solenoides combinan la operación de un interruptor magnético (relé) con la capacidad de realizar un trabajo mecánico (conectar el mando). El solenoide del motor de arranque produce un campo magnético que empuja el émbolo del solenoide y el disco dentro de los devanados de la bobina, lo cual completa el circuito del sistema de arranque. El solenoide se monta en el motor de arranque de modo que el varillaje pueda conectarse al mando del embrague de sobrefuncionamiento para conectar el mando. Para una operación eficaz los solenoides contienen dos devanados diferentes. Cuando el interruptor de encendido se gira a la posición de arranque, la corriente desde la batería fluye a través de los devanados de tomacorriente y del devanado de retención de corriente. Estos devanados contienen muchas bobinas de cables, y producen un campo magnético fuerte para empujar el émbolo pesado hacia adelante y conectar el mando del motor de arranque. Cuando el émbolo alcanza el final de su carrera a través del solenoide, conecta un disco de contacto que opera como un relé y permite que la corriente fluya al motor de arranque desde la batería. Esto también sirve para desconectar los devanados de tomacorriente del circuito y permite que la corriente fluya a través de los devanados de retención de corriente únicamente. Sólo se requiere el campo magnético débil creado por los devanados de retención de corriente para mantener el émbolo en posición. Esto reduce la cantidad de control de corriente requerida, elimina el calor producido y suministra más corriente al motor de arranque.

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IN DU CI DO

DE VA N AD O DE C AM PO

E N GR AN AJE S D E SOL EN OI DE RE DU CC IO N PI ÑO N

ESC OB ILL A S

E M B RA G UE DE SOB RE F UN C ION AM IEN T O

DE VA NA D O DE L TO M AC OR R IEN T E

D EV AN AD O DE RE T EN C ION B AT E RIA IN TE R RU P TO R D E L L AV E DE CO NT AC T O

Fig. 4.3.17 Diagrama del circuito de arranque--Interruptor de llave de contacto cerrado

El sistema de arranque opera como sigue: Cuando el interruptor de encendido se cierra, la corriente de la batería fluye en dos direcciones. La corriente fluye desde la batería hasta el interruptor de arranque y luego a los devanados de toma de corriente a los devanados de campo, el inducido, las escobillas y a tierra. La activación de los devanados de tomacorriente y los devanados de retención de corriente producen fuerza magnética. La fuerza magnética empuja el émbolo hacia la izquierda, lo cual mueve el embrague de sobrefuncionamiento y el piñón hacia la corona del volante. D EV AN AD O D E CA M P O

IND U CID O EN GR A NA JES D E R ED UC CI ON

SO LE N OID E

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D E VA NA DO D E R E TE NC IO N E M BR AG UE D E SOB RE F UN CION AM IEN TO

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IN TE RR UP T OR DE LL A VE DE C ON TA CT O

Fig. 4.3.18 Diagrama del circuito de arranque - Contacto del solenoide cerrado

Cuando el émbolo es empujado hacia la izquierda, los contactos del solenoide se cierran. En este punto, el piñón comienza a engranarse con la corona del volante, y los devanados del tomacorriente entran en cortocircuito, lo cual hace que el flujo de corriente pase a través de los contactos del solenoide a los devanados de campo, al inducido, y a las escobillas y a tierra. La corriente aun fluye a través de los devanados de retención de corriente a tierra. El motor de arranque se energiza, el piñón conecta la corona del volante y el motor comienza a girar. En este punto el émbolo se mantiene en posición adentro sólo por la fuerza magnética de los devanados de retención de corriente.

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IN D UC ID O

B OB IN A DE CA M P O

SOL E NO ID E M AN DO D E L M OT OR DE A RR AN QU E

IN T ER RU P TO R

ESC OB IL L AS

B A TER IA

DE LL A VE D E C ON TA CT O

Fig. 4.3.19 Diagrama del circuito de arranque--Interruptor de llave de contacto desconectado

Tan pronto como el motor arranca, la corona del volante gira más rápido que lo que gira el motor de arranque. El embrague de sobrefuncionamiento rompe la conexión mecánica entre el embrague y el motor de arranque. Cuando el interruptor de encendido se desconecta, el flujo de corriente a través de los devanados de retención de corriente y los devanados de toma de corriente están en la misma dirección, lo cual causa que disminuya la fuerza magnética de los devanados de retención de corriente. Los contactos del solenoide están abiertos. El émbolo y el embrague de sobrefuncionamiento son llevados hacia atrás a su posición original por acción de la fuerza de retorno del resorte. El inducido para y el motor se DESCONECTA. Sistemas en serie-paralelo Las máquinas con motores diesel más grandes requieren motores de arranque que produzcan más potencia para proveer una adecuada velocidad de giro al motor. Para alcanzar esto, en algunos motores se usa un motor de arranque de 24 voltios. El usar 24 voltios permite que el motor de arranque produzca la misma potencia con menos flujo de corriente. En un sistema en serie-paralelo el motor de arranque opera con 24 voltios pero el resto del sistema eléctrico de la máquina opera con 12 voltios. Se usa un interruptor especial del circuito en serie-paralelo usa para conectar dos o más baterías en paralelo para operación de carga y accesorio normal, y luego conecta en serie el motor de arranque en el arranque. Se prefieren accesorios de 12 voltios debido a que son menos costosos que las luces y los accesorios de 24 voltios. Sistemas eléctricos de 12/24 voltios En otro sistema de este tipo, el motor de arranque se conecta en serie con dos baterías de 12 voltios, y el alternador carga entonces con 24 voltios. Pruebas del sistema de arranque Las pruebas exactas del motor de arranque comienzan con la comprensión de cómo funciona el sistema. Si su conocimiento de la operación es completo, usted puede determinar por lógica las posibles fallas a través de inspección visual y de las pruebas de sistema eléctrico.

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