curso cat u1l1 electricidad basica como funciona

Lección 1: Cómo Funciona la Electricidad

Introducción

¿Qué es la electricidad? Decimos que las linternas, los taladroseléctricos, los motores, etc., son componentes "eléctricos". Sinembargo, frecuentemente nos referimos a los computadores,televisores, etc., como componentes "electrónicos". ¿Cuál es ladiferencia?

Cualquier componente que funcione con electricidad es undispositivo eléctrico, incluyendo las linternas y los taladroseléctricos, pero no todos los componentes eléctricos son electrónicos.El término electrónico se refiere a dispositivos que contienensemiconductores, y se conocen como "dispositivos electrónicos",debido a que dependen para su operación de un flujo de electrones.

Fig. 1.1.1

Lecc

ión

1:C

ómo

Fun

cion

a la

Ele

ctric

idad

Objetivo

Al completar esta lección, el estudiante estará en capacidad de:

Demostrar que entiende la teoría eléctrica básica eligiendo lasrespuestas correctas en un examen de selección múltiple.

Para entender mejor el funcionamiento de la electricidad, es necesariotener un conocimiento básico de la estructura atómica fundamental dela materia. La materia tiene masa y ocupa espacio. La materia tomavarias formas o estados, tales como sólido, líquido y gaseoso. Estecurso suministrará al técnico Caterpillar la comprensión mínima delos principios teóricos necesarios que sirvan de base para estudiar ytrabajar 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 departículas extremadamente pequeñas, agrupadas para formar átomos.Existen en forma natural cerca de cien átomos diferentes. Unelemento es la agrupación de átomos de un mismo tipo y se definecomo una sustancia que por acción química no puede descomponersemás. La mayoría de los elementos se encuentran en la naturaleza,como por ejemplo: cobre, plomo, hierro, oro y plata. Otros elementos(aproximadamente catorce) han sidoproducidos en el laboratorio.Los elementos pueden transformarse en otros elementos sólo poracción de una reacción atómica o nuclear. Sin embargo, lacombinación de elementos produce la gran cantidad de compuestoscomunes a nosotros todos los días. El átomo es la partícula máspequeña de un elemento, que conserva las características delelemento. 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 ajustaa la evidencia experimental que se ha medido con exactitud. Se handeterminado el tamaño y la carga eléctrica de las partículas invisiblesde un átomo por el grado de desviación que experimentan cuando seaplican al átomo fuerzas conocidas. Niels Bohr en 1913, propuso el“modelo atómico” que se asemeja al modelo actual del “sistemasolar”, con el Sol como su centro y los planetas girando a sualrededor.

Unidad 1 1-1-2 Fundamentos de los Sistemas EléctricosLección 1


++

+++++

++

NUCLEO

ELECTRONES

Fig. 1.1.2 Electrones

El centro de un átomo se conoce como “núcleo” y está compuestoprincipalmente por partículas llamadas protones y neutrones. Girandoalrededor del núcleo hay partículas pequeñas llamadas electrones.Estos electrones tienen una masa mucho menor que un protón o unneutrón. Normalmente, un átomo tiene en el núcleo un número deprotones e igual número de electrones que giran a su alrededor. Elnúmero de protones o de electrones presentes en un átomo se llama"número atómico". El "peso atómico" de un elemento es el númerototal de partículas - protones y neutrones - en el núcleo.

1 P+

1

N UM E RO D EE LECT RO NE S EN OR BITA

ELE CTRO NES EN OR BITA

CA PA

N UCL EO(1 PROTON )

2 P2 N

+

2NU CLE O

(2 PROTON ES2 NE UTRO NES)

ATOMO DE HIDROGENO ATOMO DE HELIO

(a) (b)

Fig. 1.1.3 Neutrón, protón y electrón

La figura 1.1.3 muestra la estructura de dos de los átomos mássimples. La figura 1.1.3(a) es un átomo de hidrógeno, y contiene en sunúcleo un protón en equilibrio con un electrón en su órbita o capa. Elnúmero 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 yque están en equilibrio con 2 electrones en órbita. El número atómicodel helio es 2 y su peso atómico es 4 (2 protones + 2 neutrones).

Los científicos han descubierto otras partículas en el átomo, pero parapropósito de este curso de electricidad básica, estudiaremos solamentetres partículas: electrones, protones y neutrones. Para un mejorentendimiento de la electricidad básica usaremos como ejemplo unátomo de cobre.


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

29 P35 N

2

8

18

1

PRIM ERA CAPA

SEGUNDA CAPA

TERCERA CAPA

CUARTA CAPA

NUCLEO(29 PROTONES

35 NEUTRONES)

NUM ERO ATOMICO =29PESO ATOMICO = 64

Fig. 1.1.4 Atomo de cobre

FLUJO DE ELECTRONES

BATERIA

CARGASNEGATIVAS

CARGASPOSITIVAS

Fig. 1.1.5 Batería

Un electrón (-) es sacado de la órbita del átomo y es atraído alterminal (+) de la batería. El átomo queda cargado (+) debido a queahora le hace falta un electrón (-). El átomo atraerá un electrón delátomo vecino. El átomo vecino, a su vez, atrae un electrón del átomosiguiente, y así sucesivamente hasta que el último átomo de cobrerecibe un electrón del terminal negativo de la batería.

El resultado de esta reacción en cadena es un movimiento deelectrones del terminal negativo al terminal positivo de la batería. Elflujo de electrones continúa todo el tiempo que las cargas positivas ynegativas de la batería se mantengan en cada extremo del cable.


CARGASOPUESTASSE ATRAEN CARGAS

IGUALES +SE REPELEN

CARGASIGUALES-

SE REPELEN

Fig. 1.1.6 Fuerza entre cargas

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

Energía eléctrica

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


O BJETON EG ATIVO

OB JE TOP OSITIVO

L IN EA S DE FU ER ZAE LE CTRO STATIC A

Fig. 1.1.7 Campo electrostático entre dos cuerpos cargados

Diferencia de potencial

Debido a la fuerza de su campo electrostático, una carga eléctricatiene la capacidad de realizar un trabajo al mover a otra cargaeléctrica 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 diferenciade potencial entre ellas.

Cargas y electrostática

La atracción o la repulsión de cuerpos cargados eléctricamente sedebe a una fuerza invisible que se encuentra alrededor del cuerpocargado, llamada campo electrostático. La figura 1.1.7 muestra lafuerza entre partículas cargadas eléctricamente como líneaselectrostáticas imaginarias que van de la carga positiva a la carganegativa. El método convencional de representar las líneas de fuerzase hace mediante el uso de flechas. Las flechas se disponen saliendode la carga positiva y entrando a la carga negativa.

Cuando dos cargas iguales se sitúan una cerca de otra, las líneas defuerza se repelen entre sí como se muestra en la figura 1.1.8.

Fig. 1.1.8 Campo electrostático entre dos partículas cargadas negativamente


La diferencia de la suma del potencial de todas las cargas del campoelectrostático se conoce como fuerza electromotriz (EMF). La unidadbásica de la diferencia de potencial es el "voltio" (V) llamada así enhonor de Alessandro Volta, científico italiano inventor de la "pilavoltaica", la primera pila seca. El símbolo para potencial es la letra“V” e indica la capacidad para realizar el trabajo necesario queobligue a los electrones a moverse. Debido a que se usa la unidadvoltio, la diferencia de potencial se llama "voltaje".

Hay varias formas de producir voltaje, incluyendo fricción, calor,reacción química e inducción electromagnética. La atracción depedazos pequeños de papel por un peine que ha sido frotado con unpaño de lana es un ejemplo de voltaje producido por fricción. Unafotocelda de una calculadora sería un ejemplo de voltaje producidopor energía solar.

Culombio

Se hizo necesario desarrollar una unidad de medida para la cargaeléctrica. Un científico llamado Charles Coulomb investigó las leyesde la fuerza entre los cuerpos cargados y adoptó una unidad demedida llamada "culombio". Escrita en notación científica, unculombio es igual a 6,28 x 1018 electrones o protones. En términosmás simples, en un conductor de cobre, un amperio es una corrienteeléctrica de 6,28 millones de millones de electrones que cruzan unpunto del conductor en un segundo.

Corriente

Las teorías electrostáticas que acabamos de ver, fueron explicadasponiendo énfasis en las fuerzas entre las cargas. Otra teoría quenecesita explicarse es la del "movimiento" en un conductor. Elmovimiento de cargas en un conductor se define como la corrienteeléctrica. Un electrón se verá afectado por un campo electrostático delmismo modo que un cuerpo con carga negativa. El electrón esrepelido por una carga negativa y atraído por una carga positiva. Eldesplazamiento de electrones o movimiento genera una corrienteeléctrica.

La magnitud o intensidad de la corriente se mide en "amperios". Elsímbolo de la unidad de medida de la corriente es la letra "A". Elamperio es una medida de la velocidad a la cual se mueve una carga através de un conductor. Un amperio es un culombio de carga que pasapor un punto en un segundo.

Flujo electrónico contra flujo convencional


CONDUCTOR

ELECTRONES

CORRIENTECONVENCIONAL

DIFERENCIA DE POT ENCIALEN VOLTIOS

A B

Fig. 1.1.9 Flujo de corriente

Fig. 1.1.10 Corriente electrónica y corriente convencional

Hay dos modos de describir un flujo de corriente eléctrica en unconductor. Antes de plantearse "la teoría atómica", para explicar lacomposición de la materia, los científicos definieron la corrientecomo un movimiento de cargas positivas que fluye en un conductordesde un punto de polaridad positiva hasta un punto de polaridadnegativa. Esta conclusión todavía se usa ampliamente en algunoslibros y normas de ingeniería. Algunos ejemplos de cargas positivasen movimiento son las aplicaciones de corriente en líquidos, gases ysemiconductores. Esta teoría de flujo de corriente ha sido llamada"flujo de corriente convencional".

Con el planteamiento de la teoría atómica para explicar lacomposición de la materia, se determinó que el flujo de corriente através de un conductor se basaba en un flujo de electrones (-), o carganegativa. Por tanto, la corriente de electrones está en sentido opuestoal sentido de la corriente convencional y se conoce con el nombre de"flujo de corriente electrónica".

TEO RIAEL ECT RO NICA

T EO RIAC ON VENCIO NAL


Aunque ambas teorías pueden usarse, este curso utilizará la teoría"convencional", más popular y que describe la corriente que fluye deuna carga positiva (+) a una carga negativa (-).

Resistencia

Georg Simon Ohm descubrió que teniendo un voltaje fijo, la cantidadde corriente que fluye a través de un material depende del tipo dematerial 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, elmaterial es un conductor. Si la resistencia es grande, el material es unaislador.

El ohmio es la unidad de resistencia eléctrica y el símbolo pararepresentarlo es la letra griega omega (Ω). Un material tiene unaresistencia de un ohmio si el potencial de un voltio produce unacorriente de un amperio.

Es importante recordar que la resistencia eléctrica está presente entodos los circuitos eléctricos, incluyendo los componentes, cables deinterconexión y los conectores. Los circuitos eléctricos y las leyesrelacionadas se tratarán más adelante en esta unidad.

A medida que la resistencia se opone al flujo de corriente, la energíaeléctrica se transforma en otras energías, tales como calor, luz omovimiento. La resistencia de un conductor está determinada porcuatro factores:

1. Estructura atómica (cantidad de electrones libres). Mientras máselectrones libres tenga un material, será menor la resistenciaque ofrece al flujo de corriente.

++

+++

ELECTRONES LIBRES

NEUTRONES

PROTONES

++

+ +

Fig. 1.1.11

2. Longitud. Mientras más largo sea un conductor, será mayor laresistencia. Si se duplica el valor de la longitud de un cable,como se muestra en la figura 1.1.12(A), el valor de laresistencia se duplica entre los dos extremos.

3. Ancho (área seccional transversal). Mientras mayor sea el áreaseccional transversal de un conductor, será menor laresistencia (a mayor diámetro de una tubería, mayor flujo deagua). Si el área de la sección transversal se reduce a la mitad,como se muestra en la figura 1.1.12(B), la resistencia paracualquier longitud dada se duplica.

4. Temperatura. En casi todos los materiales, a mayortemperatura, mayor resistencia. La gráfica de la figura1.1.12(C) muestra la resistencia a medida que la temperaturaaumenta. Tenga en cuenta que hay algunos materiales cuyoefecto es diminuir la resistencia cuando la temperaturaaumenta.


R Ohm2 X R Ohm

R OhmR2

OhmB. 80oF

5 Ohm

6 Ohm

Re

sist

enc

ia

Temperatura

C .

A.

121oF

Fig. 1.1.12 Resistencia

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 unpaso cerrado que contiene una fuente o fuentes de voltaje. Haydostipos básicos de circuitos eléctricos: en serie y en paralelo. Loscircuitos en serie y en paralelo básicos pueden combinarse paraformar circuitos más complejos, pero estos circuitos combinadospueden simplificarse y analizarse como circuitos básicos en serie o enparalelo. Es importante entender las leyes necesarias para analizar ydiagnosticar los circuitos eléctricos. Estas son la Ley de Kirchoff y laLey de Ohm.

Gustav Kirchoff desarrolló dos leyes para analizar los circuitos. Estasleyes son:

1. La Ley de Corriente de Kirchoff (KCL) determina que lasuma algebraica de las corrientes de cualquier unión en uncircuito eléctrico es igual a cero. Expresado en forma mássimple, la corriente que entra a una unión es igual a lacorriente que sale de la unión. Nada se pierde.

2. La Ley de Voltaje de Kirchoff (KVL) determina que la sumaalgebraica de las fuerzas electromotrices y las caídas devoltaje alrededor de cualquier bucle eléctrico cerrado es iguala cero. Expresado de otro modo, si partimos de un puntoparticular de un circuito cerrado y damos la vuelta por elcircuito sumando las diferencias individuales de potencialhasta que todas sean consideradas, cuando lleguemos al puntode inicio, no debería haber voltaje extra.

Georg Simon Ohm descubrió una de las más importantes leyes de laelectricidad. 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 alvoltaje e inversamente proporcional a la resistencia. La relación puedeexpresarse por la siguiente ecuación matemática:

Corriente = Fuerza electromotrizResistencia

o, definida en unidades eléctricas como:

I = VoltiosOhmios



Cuando usamos ecuaciones matemáticas para expresar las relacioneseléctricas, las representamos con letras. La resistencia se representacon la letra R o el símbolo omega (Ω). El voltaje o la diferencia depotencial se representa por la letra E o V (fuerza electromotriz). Lacorriente se representa por la letra I (intensidad de carga). Másadelante, veremos cómo usar estas leyes para calcular los valores delos circuitos eléctricos.

Conductores eléctricos

En aplicaciones eléctricas, los electrones viajan a lo largo de uncamino llamado conductor o cable. Los electrones se muevenviajando de átomo en átomo. Algunos materiales hacen que loselectrones viajen más fácilmente y se llaman "buenos conductores".Ejemplos de buenos conductores son la plata, el cobre, el oro, elcromo, el aluminio y el tungsteno. Se dice que un material es un buenconductor si tiene gran cantidad de electrones libres. La cantidad depresión eléctrica o voltaje que se necesita para mover los electrones através de un material depende de la cantidad de electrones libres delmaterial.

La plata es el mejor conductor, pero su utilización se ve limitadadebido a su alto costo. El oro es un buen conductor, pero no es tanbueno como el cobre. El oro tiene la ventaja de no sufrir corrosióncomo 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 conductores. La figura 1.1.13 indica algunos de los conductores más comunes ysu conductividad con respecto al cobre.

TABLA DE CONDUCTIVID AD

Conductor Conductividad(con respecto al cobre)

Plata 1,064Cobre 1,000Oro 0,707Aluminio 0,659Zinc 0,288Bronce 0,243Hierro 0,178Estaño 0,018

Fig.1.1.13 Tabla de conductividad

Otros materiales dificultan el movimiento de los electrones y sellaman "aisladores". Un buen aislador mantiene los electronesfuertemente ligados en su órbita. Ejemplos de aisladores son elcaucho, la madera, los plásticos y las cerámicas. También esimportante saber que se puede crear un flujo de corriente eléctrica através de cualquier material. Si el voltaje aplicado es losuficientemente alto, aun los mejores aisladores permitirán el flujo decorriente. La tabla de la figura 1.1.14 indica algunos de los aisladoresmás comunes.

AISLADORES COMUNES

Caucho PlásticoMica VidrioCera o parafina Fibra de vidrioPorcelana Madera secaBaquelita Aire


Fig.1.1.14 Tabla de aisladores más comunes

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


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 deaproximadamente 2,5 ohmios por 1.000 pies, mientras que un cablede calibre No. 18 (AWG) tiene una resistencia de aproximadamente6,4 ohmios por 1.000 pies. El cable de calibre No. 18 (AWG) es36% más pequeño en diámetro, pero tiene aproximadamente 3veces más resistencia que el cable de calibre No. 14 (AWG).

La resistencia de un cable puede también verse afectada por otrascondiciones, como la corrosión, y deben tenerse en cuenta cuando serealizan mediciones de resistencias.

Fig. 1.1.15 Clasificación estándar AWG de cable

Cables eléctricos

El cable de un circuito eléctrico está hecho de un conductor y unaislador. Generalmente, el conductor es de cobre y el aislador(cubrimiento externo) es de plástico o de caucho. Los conductorespueden ser cables sólidos o trenzados. En la mayoría de lasaplicaciones de movimiento de tierra, los cables eléctricos son decobre trenzado con un aislador plástico que cubre el conductor.

Hay diferentes clasificaciones de cables. Mientra más pequeño sea elcable mayor será su número de identificación. El sistema numérico seconoce como Calibre de Cable Americano (AWG). La siguiente tablade la figura 1.1.15 muestra la clasificación estándar de cable AWG.

(AWG) Diámetro (mm) Ohmios por 1.000 pies

10 102,9 0,998912 80,8 1,58814 64,1 2,52516 50,8 4,01618 40,3 6,38520 32,0 10,1522 25,4 16,424 10,0 103,226 3,10 1.049,0

Lección 2: Magnetismo

Mag

netis

mo

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 sobremagnetismo en un examen de escogencia múltiple.

2. Dados una brújula y un equipo de capacitación de sistemaseléctricos, detectar el flujo de corriente en un circuitoeléctrico.

Herramientas

Imán de barra/limaduras de hierro/lámina de vidrio o papelBrújulaEquipo de capacitación de sistemas eléctricos

Introducción

El magnetismo es otro tipo de fuerza que produce un flujo deelectrones o corriente. Para estudiar la electricidad es tambiénnecesario un entendimiento básico del magnetismo. El magnetismoprovee un puente entre la energía mecánica y la electricidad. Usandoel magnetismo, un alternador convierte algo de energía mecánicadesarrollada por un motor en fuerza electromotriz (EMF). En lapráctica, el magnetismo permite a un motor de arranque convertir laenergía eléctrica de una batería en energía mecánica para arrancar unmotor.

Naturaleza del magnetismo

Casi todo el equipo eléctrico depende directa o indirectamente delmagnetismo. Aunque hay algunos dispositivos eléctricos que no usanmagnetismo, la mayoría de nuestros sistemas, así como losconocemos hoy, no existirían sin el uso del magnetismo.

Hay tres tipos básicos de imanes:

NaturalesManufacturadosElectroimanes

Imanes naturales

En la China se descubrieron los imanes hacia el año 2137 A.C. Losimanes se usaban en brújulas que fueron llamadas "imanes depiedra". Los imanes de piedra eran piezas de hierro natural conocidocomo magnetita. Ya que en su estado natural la magnetita tienepropiedades magnéticas, los imanes de piedra son considerados“imanes naturales”.

Imanes manufacturados

Generalmente, los imanes manufacturados se producen en forma debarras de metal que se exponen a campos magnéticos muy fuertes.Estos imanes reciben algunas veces el nombre de “imanesartificiales”.

Electroimanes

Oersted, un científico nacido en Dinamarca, descubrió una relaciónentre el magnetismo y la corriente eléctrica. Oersted encontró queuna corriente eléctrica que fluye a través de un conductor producía uncampo magnético alrededor del conductor.


Campos magnéticos

Un imán tiene dos extremos que atraen fácilmente pedazos de hierro.Estos extremos se conocen como "polos del imán": polo norte y polosur. Al igual que con las cargas eléctricas, en donde las cargas igualesse repelen y las cargas opuestas se atraen, los polos magnéticosiguales se repelen y los polos opuestos se atraen.

Un imán atrae un pedazo de hierro debido a que existe alguna fuerzaalrededor del imán. Esta fuerza se llama "campo magnético". Aunquees invisible, podemos ver esta fuerza si usamos limaduras de hierrosobre una lámina de vidrio o de papel, y colocando un imán en laparte inferior de la lámina de vidrio. La figura 1.2.2 muestra unalámina de vidrio sobre un imán en la que se han esparcido limadurasde hierro. Cuando se golpea ligeramente la lámina de vidrio laslimaduras se moverán en un patrón definido que muestra la fuerza delcampo magnético alrededor del imán.


N S

Campos magnéticos

Realice un experimento con un imán de barra, una lámina devidrio o papel y limaduras de hierro.

Extienda las limaduras de hierro sobre un pedazo de papel o devidrio. Coloque un imán de barra debajo. Mueva el vidrio o elpapel sobre el imán y observe la alineación de las limaduras dehierro, debido al campo magnético alrededor del imán.

El campo está formado por líneas de fuerza que parecen salir delimán en el polo norte, atraviesan el aire alrededor del imán, ycontinúan hasta el polo sur formando un bucle cerrado de fuerza.Mientras más potente sea el imán, más fuertes serán las líneas defuerza y mayor el área cubierta por el campo magnético.

Fig. 1.2.2 Campos magnéticos

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 figura1.2.3. el sentido de las líneas fuera del imán muestra que salen delpolo norte, son repelidas lejos del polo norte y atraídas en el polo sur.Dentro del imán, que es el generador del campo magnético, las líneasde fuerza van del polo sur al polo norte.

Líneas de flujo magnético

El grupo completo de las líneas del campo magnético, el cual puedeconsiderarse como un flujo que sale del polo norte del imán, se llamaflujo magnético. La densidad del flujo es el número de líneas decampo magnético por unidad de sección perpendicular a la direccióndel flujo. La unidad se define como líneas por pulgada cuadrada en elsistema inglés, o líneas por centímetro cuadrado en el sistemamétrico. Una línea por centímetro cuadrado se define como un gauss.


N S

Fig. 1.2.3 Líneas de fuerza

Debido a que estas líneas de flujo son circulares, el campo magnéticono tiene polo norte ni polo sur. Sin embargo, si el cable se enrolla enuna bobina, los campos circulares individuales se fusionan. Elresultado es un campo magnético unificado con polos norte y sur,como se muestra en la figura 1.2.5.


NS

Fig. 1.2.4 Líneas de fuerza magnética

Fig. 1.2.5 Campos circulares

Fuerza magnética

Las líneas de fuerza magnética atraviesan todos los materiales. No seconoce un aislador contra el magnetismo. Sin embargo, las líneas deflujo pasan más fácilmente a través de materiales que puedenmagnetizarse que a través de aquellos materiales que no puedenhacerlo. Los materiales por los que no pasan fácilmente las líneas deflujo 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 líneasmagnéticas de fuerza alrededor del cable. La figura 1.2.4 muestralíneas de círculos magnéticos pequeños que se forman alrededor delcable.

A medida que la corriente fluye a través del cable, éste se comportacomo un imán de barra. El campo electromagnético permanece todoel tiempo que la corriente fluya a través del cable. Sin embargo, elcampo producido en un cable recto no tiene suficiente magnetismopara realizar un trabajo. Para dar mayor intensidad al campoelectromagnético, el cable puede enrollarse en forma de bobina. Lafuerza magnética de un electroimán es proporcional al número devueltas de cable de la bobina y de la corriente que fluye a través delcable. Cada vez que la corriente eléctrica fluye a través de la bobinade cable, se crea un campo magnético, o líneas de fuerza, alrededorde la bobina. Si la bobina se enrolla en un núcleo metálico, como elhierro, la fuerza magnética aumenta considerablemente.

Los tipos de electroimanes típicos usados en las máquinas Caterpillarson los relés y los solenoides. Ambos operan con el principioelectromagnético, pero funcionan de modo diferente. Los relés seusan como interruptores controlados eléctricamente. Un relé constade una bobina electromagnética, una serie de contactos y un inducido.El inducido es un dispositivo móvil que permite que los contactos seabran y se cierren. La figura 1.2.6 muestra los componentes típicos deun relé.


MOTOR DEARRANQUE

INTERRUPTOR

BATERIA

Fig. 1.2.6 Relé simple

Relé

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

Un solenoide es otro dispositivo que usa electromagnetismo. Igualque el relé, el solenoide también tiene una bobina. La figura 1.2.7muestra un solenoide típico. Cuando la corriente pasa a través de labobina, el electromagnetismo empuja o saca el núcleo de la bobina,creando un movimiento lineal, o movimientos hacia atrás y haciaadelante. Los solenoides se usan para conectar los motores dearranque o para el control de las velocidades en una transmisiónautomática.


B AT ER IA

INT ER RU PT ORCO NTACTO

M OTO RDE A RR AN QUE

Fig. 1.2.7 Solenoide simple de motor de arranque

En este punto realice la práctica de taller 1.2.1.


M OVIM IENTODEL CONDUCTOR

EL VOLT IM ETR OL EE VO LTA JE

M OVIM IENTODEL CONDUCTOR

Inducción electromagnética

Así como se puede crear un campo electromagnético con corriente,también se puede producir corriente con un campo magnéticoinduciendo un voltaje en el conductor. Este proceso se conoce como"inducción electromagnética". Ocurre cuando las líneas de flujo deun campo magnético cortan transversalmente un cable (o cualquierconductor). No importa si el campo magnético o el cable se mueven.Cuando hay un movimiento relativo entre el cable y el campomagnético, en el conductor se induce un voltaje. El voltaje inducidohace que la corriente fluya. Cuando el movimiento se detiene, lacorriente deja de fluir.

Si un cable se pasa a través de un campo magnético, por ejemplo, uncable que se mueve a través de los campos magnéticos de un imán enforma de herradura, se induce el voltaje. Si el cable está enrollado enuna bobina, se refuerza el voltaje inducido. Este método es elprincipio de funcionamiento usado en sensores de velocidad,generadores y alternadores. En algunos casos el cable es estacionarioy el imán se mueve. En otros casos el imán es estacionario y losdevanados de campo se mueven.

El movimiento en el sentido opuesto hace que la corriente fluya ensentido opuesto. Por tanto, un movimiento hacia atrás y haciaadelante produce un voltaje CA (corriente).

En aplicaciones prácticas, los conductores múltiples están enrolladosen la bobina. Esto concentra el efecto de la inducciónelectromagnética y hace posible generar una potencia eléctrica útilcon un dispositivo relativamente compacto. En un generador, labobina se mueve y el campo magnético es estacionario. En unalternador, el imán gira dentro de una bobina estacionaria.

Fig. 1.2.9 Inducción electromagnética

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 enmovimiento que pasa por un campo magnético estacionario paraproducir voltaje y corriente. Un bucle simple de cable gira entre lospolos norte y sur de un campo magnético.


Fig. 1.2.10 Generador CC

Autoinducción

La autoinducción ocurre en un cable que transporta corriente cuandocambia la corriente que fluye a través del cable. Debido a que lacorriente fluye a través del conductor, en cada cambio de corriente secrea y se colapsa un campo magnético alrededor del cable, lo queinduce así un voltaje en el conductor. La figura 1.2.11 muestra laautoinducción en una bobina.


VO LTAJE IND UC IDO

CO R RIE NT ECA M BIA NDO

C A MPOMAGN ET ICOC AM BIA ND O

Inducción mutua

La inducción mutua ocurre cuando el cambio de corriente en unabobina induce un voltaje en una bobina adyacente. Un transformadores un ejemplo de inducción mutua. La figura 1.2.12 muestra dosinductores cerca uno del otro. Cuando una corriente CA fluye através de la bobina L1, un campo magnético atraviesa la bobina L2,lo que induce un voltaje y por tanto produce flujo de corriente en labobina L2.

CAMPO M AGNETICO DEL INDUCTOR L1

EL VOLTIM ETROM IDE EL VOLTAJE

INDUCIDO

VL1 L2

Fig. 1.2.11 Autoinducción

Fig. 1.2.12 Inducción mutua

Lección 1: Componentes eléctricos básicos

Introducción

Hay diferentes tipos de componentes usados en los circuitoseléctricos. En esta lección se verán los componentes eléctricosbásicos 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 uncontacto de cable a otro cable y probar la continuidad entre el cable yel 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 decables (varios cables agrupados) de una máquina.

Demostrar que conoce la función de los componentes eléctricos,seleccionando las respuestas correctas a las preguntas dadas en unexamen de selección múltiple.

COM PONENTES Y SIMBOLOSELECTRICOS

¥ Diagramas Eléctricos

¥ Componentes Eléctricos Básicos

¥ Com ponen tes Eléctricos de E stado Sólido

Lecc

ión

1:C

ompo

nent

es e

léct

ricos

bás

icos

SO LIDO

TRE NZADO

Fig. 3.1.1 Tipos de cable

Los cables son los conductores de los circuitos eléctricos. La mayoría delos cables son trenzados (hechos de muchos cables delgados enrollados yrecubiertos con un material común aislante).

En las máquinas Caterpillar se encuentran muchos tipos de cablesincluyendo:

De cobre: Es el tipo más común y son generalmente trenzados.

Conexiones de fusibles: Dispositivos de protección de circuitos hechosde cables más finos que los del resto del circuito que ellos protegen.

Cable enrollado/blindado: Un par de pequeños cables calibrados yaislados contra las señales de RFI/EMI, usados para señales decomunicación de computador.


Muchos cables están en grupo con uno o más conectores comunes encada extremo. Estos grupos son llamadosmazos de cables. Observe queun mazo puede contener cables de diferentes circuitos y sistemas. Unejemplo podría ser el mazo que enchufaen el conjunto del interruptor delas luces frontales, el cual contiene los cables de las luces deestacionamiento, las luces traseras y las luces frontales altas y bajas,entre otros.

Fig. 3.1.2 Grupo de cables de un mazo

Algunos cables de mazo se encuentran en tubos de plástico. Estostubos están cortados longitudinalmente para permitir un acceso fácil alos cables del mazo. Otros cables del mazo se forranen cinta aislante.Los mazos se fijan a la máquina con pinzas de plástico y sujetadoresmetálicos.

Para encontrar fácilmente un mazo específico en la máquina, losdiagramas eléctricos Caterpillar proveen la localización de los mazosde cables. Las características de los diagramas eléctricos Caterpillarse verán más adelante en la lección 3


AWG D IA ME TRO (m m) OH M IOS POR 1.000 P IE S

101214161820223040

102,980,864,150,840,332,025,410,0

3,10

0,99891,5882 ,5254 ,0166,385

10,1516,14

103,201 .049 ,0

CLASIFICACION DE CABLES

Fig. 3.1.3 Clasificación de cables eléctricos. Tabla de conversión

Calibre del cable

Los circuitos eléctricos y electrónicos se fabrican con conductoresde tamaño y longitud específicos para proveer paso al flujo decorriente. El tamaño de un cable determina la cantidad de corrienteque 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 laclasificación según el sistema métrico.

Cuando se reparan o se reemplazan cables de una máquina, esnecesario utilizar conductores de tamaño y longitud correctos. Lafigura 3.1.3. indica las resistencias típicas de varios tamaños deconductores.

Si utiliza la clasificación AWG de cables, recuerde que los númerosde calibre más bajos indican cables de tamaño grande, y númerosaltos indican cables de tamaño pequeño. Las medidas métricas delcable, por otra parte, se refieren al diámetro del cable en milímetros,y, en este caso, diámetros grandes indican cables más gruesos.

Unidad 3 3-1-4Lección 1

Soldadura

Aunque pueda existir una conexión eléctrica entre dos cables rebordeados,la conexión puede estar incompleta o defectuosa. La soldadura permite unaconexión eléctrica sólida y confiable.

En el proceso de soldadura, una soldadura derretida fluye entre todas lasimperfecciones de la superficie de los metales que se van a soldar. Al soldardos piezas de metal, una delgada capa de soldadura se adhiere entre laspiezas para permitir así la conexión eléctrica.

La soldadura es una mezcla de estaño y plomo y generalmente contiene unfundente. La función del fundente es evitar la oxidación durante el proceso.El fundente también sirve para bajar la tensión de la soldadura fundida, ypermitir que ésta fluya y se extienda más fácilmente. La resina es elfundente más comúnmente usado en la reparación de cables eléctricos. Laresina es anticorrosiva, poco tóxica y se funde fácilmente. La soldadura connúcleo de resina es la única clase de soldadura usada en reparaciones decableado electrónico. Nunca use soldadura con núcleos ácidos u otrassoldaduras que contengan fundente corrosivo, ya que la propiedad de laconexión 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 calorpor conductividad a los cables, que se calentarán lo suficiente para derretirla soldadura. No caliente la soldadura directamente.

- Asegúrese de que haya láminas de soldadura entre el núcleo (conductor) yel terminal o pinza, pero no en el aislador.

- Si usa pinza, asegúrese de que la soldadura cubra la superficie expuestadel conductor y toda la pinza.

- Si aplica soldadura alrededor de un terminal, asegúrese de que lasoldadura cubra el conductor, pero no lo extienda más allá del conductor.Puede ser útil inclinar ligeramente hacia arriba el extremo del cable que seesté 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 usadapara aislar la reparación.


- No permita que por fuera de la reparación queden hebras del cabletrenzado o sobre el aislador.

- No haga soldaduras de cables en un circuito vivo. Siempredesconecte la electricidad de los cables y luego realice la reparación

NOMINAL

DENTRO DE TOLERANCIA/ESPECIFICACIONES

N O C ON FOR M IDA D

S old ad ur a e n tr en ú cle o y pinz a

C ub rim ien to d e100% con so lda du rade l n úc le o y p inz a

M en os de 100 % dec u brim ie nto d e sold ad ur a

De be pasar re q uer im ien tode “ti rar de sp u és de soldar”

De b e h abe r sold ad u raen tre nú cleo y pin za

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

A lgo d e cab le exp uestod eb ido a la con trac ciónd el ais la dor

Ais la dor qu em ad o o exce sode soldau ra p egad a alais lad or (p ued e cu br irsecon cin ta ais lad ora)

Puntascon filoo crestas

Uno o más cablesmuestran evidencia de noestar unidos a la pinza

Exceso de flujo deaceite (cinta resbalosa)

Un a o m ás heb r assalid as (c ap ac es depicar y r om pe rla cin ta aislador a)

Ais la dor exces ivam en tequ em ad o o sold adu ra e nexceso p egad a al ais lad or(n o p u ed e cu b rir se c oncin ta ais lad ora)

Extre m os del n úc leosob re e l ais lad or

Fig 3.1.4 Normas para realizar trabajos de soldadura en cables eléctricos

Herramientas y preparación para las operaciones de soldadura

Herramientas

Se recomienda usar las siguientes herramientas cuando se preparan yse sueldan cables o conexiones:

Alicatesde ángulo, comúnmente llamadas pinzas o diagonales,usados para cortar cables blandos y otros componentes de cables. Nose deben usar para cortar metales duros, como hierro o acero.

Alicates de nariz larga o nariz de aguja, usados para sujetar el cablehasta que el extremo rebordeado del cable pueda ser dobladoalrededor de un borne o insertado en el orificio de un terminal.

Los rebordeadores de cables se usan para quitar el aislador delextremo del cable. Hay diferentes pinzas rebordeadoras de cable quevan 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 usapara unir los cables. Hay diferentes tipos de aparatos para estepropósito, como soldadores de pistola, de lápiz, etc. Los soldadoresse clasifican dependiendo de la cantidad de energía que puedendisipar e, indirectamente, de la cantidad de calor que producen. Lostamaños más populares de soldadores son las pistolas de 100 vatiosy 125 vatios. El tipo de trabajo determina el tamaño del soldador quedebe usarse.

Para evitar el recalentamiento durante la soldadura o para desoldarpiezas electrónicas sensibles al calor se usa un disipador de calor. Eldisipador de calor es generalmente una pinza que se conecta al cableentre el cuerpo de la pieza y el punto terminal donde se aplica elcalor. El disipador de calor absorbe el calor y reduce la cantidad decalor al componente.

Una herramienta para desoldar simplifica el trabajo de limpiardesechos de soldadura de los orificios del tablero electrónico (pc),cuando los componentes están siendo quitados de los orificios. Losorificios deben estar libres de soldadura antes de insertar losterminales de un nuevo componente.


Preparación del cable que se va a soldar

Dos o más cables que den paso a la electricidad deben estarconectados eléctricamente. Esto significa que la superficie de uncable sin aislamiento debe conectarse mecánicamente a la superficiesin aislamiento del otro cable. Para asegurarnos de que los cables nose separen, o que la conexión no sufra corrosión, los cables debensoldarse en su unión.

Antes de conectar y soldar los cables, deben prepararseconvenientemente. Esto implica quitar el aislante del extremo de loscables, para tener los terminales de los cables que puedan conectarseentre 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 odaños, no se necesita ninguna otra preparación. Si el cable apareceoscuro o sin brillo, debe limpiarse antes de soldarse.

Como paso final, antes de soldar, es necesario realizar una laborllamadade "estañado". Si se usan cables trenzados, el cable debeentorcharsey colocarse en la punta del soldador para calentarlo losuficiente, de modo que el cable pueda derretir la soldadura.

Conexiones mecánicas

Algunos de los conectores más comunes son los bornes, losterminales y los empalmes. La figura 3.1.5 muestra una conexión aun borne. El cable debe asegurarse al borne enrollándolo tres cuartosde vuelta o una vuelta completa. Enrollar el cable más de una vueltaalrededor del borne es un desperdicio y causará problemas si laconexión necesita desoldarse.


Fig. 3.1.5 Borne

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


Fig. 3.1.6 Regleta de terminales

Fig. 3.1.7 Empalme de gancho

DIS IP ADO R T ER MIC O

D IOD O D EGE RM AN IO

SOL DA D OR

Fig. 3.1.8 Disipador de calor

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

Cuando conecte cables a componentes sensibles al calor, a un borne oa una regleta terminal, se recomienda usar un disipador térmico. Lafigura 3.1.8 muestra un disipador térmico conectado a un cable entreun diodo de germanio y un borne. El disipador térmico actúa comouna carga de calor y por esta razón reduce el calor que puedatransferirse al diodo.

Precauciones de seguridad

Los soldadores de pistola operan a altas temperaturas y puedencausar quemaduras severas. Observe las siguientes precaucionesde seguridad cuando proceda a soldar componentes eléctricos:

1. No permita que la soldadura caliente salpique en el aire alsacudir una pistola de soldar o una unión recién soldada.2. Agarre siempre la pistola de soldar por el mango aislado. Notoque la parte de metal descubierta.3. No permita que la parte metálica de una pistola de soldar seponga en contacto con materiales combustibles. La pistola desoldar 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 mecánicamentefuertes; por tanto, no deben vibrar ni estar flojas, lo quecausaríaintermitencias eléctricas. Eléctricamente, los contactos soldadosdeben tener baja resistencia para proveer la adecuada señal detransferencia. Algunas reglas básicas para soldar son:

1. La punta del soldador debe estar estañada y limpia2. Los metales que se van a soldar deben estar limpios3. Sujete mecánicamente la unión, de ser posible4. Estañeelas superficies grandes antes de soldarlas5. Aplique la soldadura en las uniones, no en la punta de la

pistola. La soldadura debe fluir libremente y tener unaapariencia suave y brillante

6. Use suficiente soldadura para permitir conexiones sólidas7. Al utilizar un fundente adicional, aplíquelo en la unión. Sólo

debe usarse fundente de resina en las conexiones eléctricas8. Haga la soldadura rápidamente y no permita que los

componentes o el aislador se quemen o se recalienten9. Use soldadura con núcleo de resina o su equivalente. No use

soldadura con núcleo de ácido en ninguna conexión eléctrica.



Fig. 3.1.9 Conectores de mazos de cables

Sin asperezas Con asperezasClavija en con tacto

con receptáculo Contacto S in contacto

Condición de asperezaC LAV IJAR EC EPTAC ULO

ASPEREZA EN LOSCONTACTOS DE CLAVIJA

Electronesconvergiendo

Contacto Sin contacto

CONECTORES

Fig. 3.1.10 Asperezas del conector

Las clavijas y los receptáculos tienen resistencia y ofrecen algo deoposición al flujo de corriente. Como las superficies de las clavijas yde 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 cientode sus superficies no hace contacto entre sí.

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(enchufey receptáculo). Una mitad contiene una clavija, la otra mitadcontiene un receptáculo. Cuando las dos mitades se juntan, permitenel paso de corriente.

Con el uso frecuente de sistemas electrónicos en las máquinasCaterpillar, el servicio dado a los conectores se convierte en una tareafundamental, e implica un aumento en el mantenimiento del cableado,conectores, clavijas y receptáculos. Otro factor importante queaumenta la reparaciones de los sistemas electrónicos es el medioambiente severo en el cual operan los conectores. Los conectoresdeben operar en condiciones extremas de calor, frío, polvo, suciedad,humedad, químicos, etc.


Conectores

Los electrones son forzados a converger sobre los picos y crean, porconsiguiente, algo de resistencia en las mitades de contacto. Aunqueeste proceso parezca insignificante para la operación de un controlelectrónico, esta resistencia a través del conector puede crear unfuncionamiento 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 demetal usado en la fabricación de las clavijas y los contactos. El estañoes lo suficientemente blando para permitir una "película limpiadora",pero tiene alta resistividad. El cobre tiene baja resistividad pero esmuy duro. Entonces, para lograr una mínima resistencia y reducir almáximo las asperezas, los contactos de cobre de baja resistencia son amenudo metalizados con estaño (estañados).

La película limpiadora se presenta cuando las clavijas y loscontactos han sido metalizados con estaño, de modo que al unirse,tienden a "limpiarse" mutuamente para suavizar los picos y lasondulaciones creados por las condiciones de aspereza. Otrosmetales como el oro y la plata son excelentes para metalizar elcobre, pero muy costosos.

Los contaminantes

Los contaminantes son otro factor que aumenta la resistencia en losconectores. Algunas condiciones difíciles, como el empleo dequímicos etc., pueden causar un funcionamiento defectuoso debido alaumento de la resistencia.

Los técnicos deben saber que los conectores son causa de muchosproblemas de diagnóstico. Por ello es necesario medir la resistenciaentre las mitades conectoras cuando se diagnostica unfuncionamiento defectuoso en el control electrónico. También lostécnicos deben saber que desconectar y reconectar los conectoresdurante los procesos de localización y solución de problemaspueden dar una información de diagnóstico equivocada.Adicionalmente, aconseje a los estudiantes el uso muy ocasional decables de desconexión cuando se ubican y se solucionan problemaseléctricos de tipo intermitente.


Tipos de conectores

En los sistemas eléctricos y electrónicos de las máquinas Caterpillar se usanvarios tipos de conectores. Cada tipo difiere en el servicio o su reparación.

Informe a los estudiantes que los procedimientos de servicio de losconectores pueden encontrarse en las InstruccionesEspeciales correspondientes.

Los siguientes tipos de conectores se examinarán con detalle:

Conectores ambientales vehiculares (VE)Conectores Sure SealConectores 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 lasmáquinas Caterpillar, cuando hubo necesidad de usar conectores resistentesa altas temperaturas, con gran número de contactos y mayor capacidad detransportar corriente.

El conector requería una herramienta especial que soltaba el metal parapoder quitar los contactos que pudieran dañar el mecanismo de cierre, encaso de que la herramienta girara cuando se soltaba la pinza retenedora.

No use herramientas para soldar el metal (indicadas en SEHS8038) paraningún otro tipo de conector eléctrico.

Después de rebordear un cable con el contacto, se recomienda soldar elcable y el contacto para proveer una buena conexión eléctrica. Useúnicamente soldadura con núcleo de resina en las conexiones eléctricas.

Fig. 3.1.12 Conectores Sure Seal

Los conectores Sure Seal se usan ampliamente en las máquinasCaterpillar. Las cajas de los conectores vienen diseñadas paraproporcionar un acoplamiento exacto entre las dos mitades, y en vez deusar llaves guía o ranuras guía, los cuerpos de los conectores estánmoldeados 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 delreceptáculo 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 loscables.

Los conectores Sure Seal exigen el uso de la herramienta especial6V3008 para la instalación de los contactos. Use alcohol desnaturalizadocomo lubricante cuando se instalen los contactos. No se necesita unaherramienta especial para quitar los contactos de las clavijas.

En el armado de los contactos, debe usar un tapón sellante 9G3695 encualquier orificio no usado en las cajas. El tapón sellante ayuda a evitarque se forme humedad en las cajas.


La información específica relacionada con el procedimiento deinstalación de los contactos de los conectores VE (clavijas yreceptáculos) se encuentra en la Instrucción Especial “Uso del Grupo deHerramientas de los Conectores VE” (SEHS8038).

Este tipo de conector no se usa actualmente, pero en algunas máquinaspuede aún necesitar el servicio de un técnico de campo.

Conectores Sure Seal


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 utilizacontactos de tipo reborde, que pueden quitarse fácil y rápidamente.Las cápsulas termoplásticas están disponibles en configuraciones conrosca y sin rosca usando disposiciones de 3, 5, 6 y 9 contactos. Eltamaño del contacto es No. 16 y acepta cables de calibre No. 14, 16 y18 (AWG).

El HD10 usa contactos de tipo reborde, de aleación de cobre sólidoNo. 16, con la característica de transportar alta carga de corrientecontinua sin recalentamiento. Los contactos se rebordean usando unatenaza rebordeadora Deutsch, número de pieza Caterpillar 1U5805.

Los procedimientos de la terminación de la conexión Deutschrecomiendan NO SOLDAR sino hasta después de haber rebordeadolos contactos adecuadamente.

Los procedimientos para preparar un cable y rebordear un contactoson iguales para todos los conectores Deutsch y se explican en laInstrucción Especial - “Servicio de los Conectores DT” (SEHS9615).El procedimiento de remoción difiere de conector a conector y seexplicará en cada sección.


Conectores Deutsch

Fig. 3.1.14 Conectores de la serie DT

El DT es un conector termoplástico que utiliza contactos de tiporebordeador que pueden quitarse rápida y fácilmente sin requerir unaherramienta especial. Las cajas termoplásticas están disponibles enconfiguraciones que usan disposiciones de inserto de 2, 3, 4, 6, 8 y 12contactos. El tamaño del contacto es No. 16 y acepta cables de calibreNo. 14, 16 y 18 (AWG).

El conector DT usa contactos de tipo rebordeador de aleación decobre sólido No. 16 que tiene como característica la capacidad dellevar continuamente altas operaciones de carga de corriente sinrecalentamiento y de poseer contactos estampados y moldeados(menor costo). Los contactos se rebordean usando una tenazarebordeadora Deutsch, número de pieza Caterpillar 1U5804.

El conector DT difiere de otros conectores Deutsch tanto en suapariencia como en su construcción. El conector DT es rectangular otriangular con cuñas de enchufe, cuñas de receptáculoy sellos desilicona.

El alcohol desnaturalizado es el disolvente limpiador recomendadopara todos los contactos Deutsch.

Para obtener información más detallada del servicio del conectorDT, consulte la Instrucción Especial - Servicio de los ConectoresDT (SEHS9615).



Conectores de la Serie de Transportación Deutsch (DT)

Fig. 3.1.15 Serie de conectores ambientales (CE) Caterpillar

El CE es un conector de aplicación especial en varios módulos decontrol electrónico, que puede acomodar entre 7 y 37 contactosutilizando el conector de 37 contactos.

El conector CE usa dos diferentes herramientas rebordeadoras. Laherramienta rebordeadora para contactos No. 4 - 10 es la tenazarebordeadora manual 4C4075, y la herramienta para contactos No. 12- 18 es la misma herramienta usada en los conectores de la serie HDy DT (1U5804).

Para obtener una explicación más detallada del servicio de losconectores CE, consulte la Instrucción Especial -- “Uso de lasherramientas del conector CE” (SEHS9065).



Conectores ambientales (CE) Caterpillar

Fig. 3.1.16 Conector rectangular Deutsch (DRC)

El conector DRC tiene una caja termoplástica rectangularcompletamente hermética. El DRC está diseñado para ser compatiblecon módulos electrónicos internos y externos.

El conector está diseñado con un mayor número de terminales. Losarreglosde insertodisponibles son: 24, 40 y 70 contactos. El tamañodel 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 altasoperaciones de carga de corriente continua sin recalentamiento, ycontactos moldeados y estampados (menor costo). Los contactos sonrebordeados usando una tenaza rebordeadora Deutsch, número depieza Caterpillar 1U5805.

El conector contiene una llave de reloj para una correcta orientación yse asegura con un tornillo de apriete y separación de acero inoxidable.Se requiere una llave HEXAGONAL de 4 mm (5/32 pulgadas) paraajustar las dos mitades del conector. El par recomendado para apretarel tornillo de apriete y separación es de 25 libras por pulgada.

NOTA: El DRC usa la misma instalación y procedimientos deremoción de la serie HD10. No se requiere práctica de taller delconector.


Conector rectangular Deutsch (DRC)

Fig. 3.1.17 Interruptores

Interruptores

Un interruptor es un dispositivo utilizado para completar o interrumpirun paso de corriente. Típicamente, los interruptores están colocadosentre 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).


Componentes

Fig. 3.1.18 Tipos de interruptores

SPST SPDT DPST DPDTUNIPOLAR DE UNA VIA UNIPOLAR DE DOS VIAS BIPOLAR DE UNA VIA BIPOLAR DE DOS VIAS

Hay también muchas formas de operar los interruptores. Los interruptoresmostrados arriba se operan mecánicamente moviendo una palanca o unaccionador del interruptor. Algunas veces, los interruptores se encadenanpara que abran y cierren al mismo tiempo, en cuyo caso se muestra en losdiagramas como una línea punteada que conectan los interruptores.

Otros interruptores operados mecánicamente son los interruptores límite einterruptores de presión. Los contactos del interruptor se cierran o se abrenpor medios externos, como una palanca accionadora en un interruptor delímite o uno que actúa con presión. Algunos de los interruptores máscomunes usados en máquinas Caterpillar son:

De palanca Giratorio BasculanteDe empuje A presión MagnéticoDe llave de contacto De límite De desactivación

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

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


Fig. 3.1.19 Interruptor de llave de contacto

ARCSB

S T ON ACC OF F

Fig. 3.1.20 Disyuntor

Los fusibles, las conexiones de puente de fusibles y los disyuntoresson protectores del circuito. Si hay exceso de corriente en uncircuito, se produce calor. El calor, no la corriente, hace que elcircuito protector se abra antes de que el cable pueda dañarse. Elefecto es el mismo que cuando se desconecta el interruptor.

Observe que los disyuntores están diseñados para proteger elcableado y no necesariamente a otros componentes.

Los fusibles y los disyuntores pueden ayudarnos a diagnosticar losproblemas en los circuitos. Si un disyuntor se abre repetidamente esindicio de un daño eléctrico serio que necesita repararse.

Protectores del circuito

Los fusibles son los protectores más comunes de los circuitos. Un fusibleestá hecho de una delgada cinta de metal o de cable colocado dentro de unpequeño tubo de vidrio o de plástico. Cuando la corriente que fluye esmayor que la resistencia del fusible, la cinta de metal se derrite y elcircuito se abre. En este caso, el fusible deberá ser reemplazado.

Los fusibles se clasifican de acuerdo con ell amperaje que puedentransportar antes de abrirse. Los cuerpos de los fusibles de plástico semoldean en diferentes colores para mostrar su clasificación, y estaclasificación se encuentra estampada también en la parte superior delfusible.

Una conexión de puente del fusible (no mostrado) es una sección corta deun cable aislado, más delgado que el cable del circuito que éste protege. Elexceso de corriente derrite el cable dentro del fusible. Como los fusibles,la conexión de puente de los fusibles debe reemplazarse después defundirse.

Las conexiones de puente de fusibles se usan comúnmente en el cable deencendido 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 cableestá derretido y la conexión de puente de fusibles no funcionará ya. (Elaislamiento de una conexión de fusible es más grueso que el aislamientoregular de un cable, ya que éste contiene la unión derretida después dehaberse quemado).

NOTA: Cuando reemplace una conexión de puente de fusible, nuncause una longitud mayor de 225 mm (cerca de 9 pulgadas).


Fig. 3.1.21 Fusibles de vidrio Fig. 3.1.22 Fusibles de plástico

Fusibles

Un disyuntor es similar a un fusible. Sin embargo, el exceso decorriente puede causar el “disparo” del disyuntor, y abrir el circuito.El disyuntor puede fijarse de forma manual nuevamente después deque las condiciones de sobrecarga de corriente se hayan eliminado.

Algunos disyuntores se restauran automáticamente después deabiertos. Estos son llamados disyuntores “cíclicos”. Algunosdisyuntores son fabricados dentro de varios componentes Caterpillar,como el interruptor de luces delanteras.

También hay disyuntores no cíclicos. Este tipo de disyuntor opera conun cable calentado que mantiene abierto el contacto hasta que seelimine el flujo de corriente.

Un disyuntor cíclico contiene una cinta metálica hecha de dosmetales diferentes. La corriente más alta para la que fue diseñado eldisyuntor hace que los dos metales cambien de forma de maneradesigual. La cinta metálica se curva y se abre un grupo de contactos,que detiene el flujo de corriente. Cuando el metal se enfría, retorna asu forma normal, cerrando los contactos. El flujo de corriente retomasu actividad normal. Los disyuntores de restauración automáticatambién se llaman "cíclicos" porque el ciclo abre y cierra hasta que lacorriente retorna a su nivel normal.

Un interruptor PTC (por Coeficiente Positivo de Temperatura) es untipo especial de interruptor de circuito llamado "termistor" (o resistortérmico). El PTC está hecho de un polímero conductor. En su estadonormal el material tiene la forma de un cristal denso con muchaspartículas de carbón empacadas. Las partículas de carbón proveenvías conductoras al flujo de corriente. Cuando el material se calienta,el polímero se expande, separando las cadenas de carbono. En elestado expandido, hay unos pocos caminos para la corriente.


ES TADO NORMAL

ES TADO ACTIVADO

Fig. 3.1.23 Ciclaje

Disyuntores

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

Resistores


Fig. 3.1.24 Resistores

ROJO - R OJO - M AR RON - O RO - 220½ ±5%

RO JO - RO JO - ORO - 2.2½ ±20%

4a . BAN DA = TO LE RA NC IA E N %

3a. BAN DA = NU M ERO D E CE ROS

2a. BA NDA = 2o. DIG ITO

E JEM PL OS

1a. BA NDA= 1er. D IGIT O

Transfer ida directam . a núm eros

Transfer ida directam . a núm eros

Co loca punto decima l (Núm erode ceros después de l 2o . díg ito)

Si es O RO, d ivida por 10Si es P LATA , div ida por 100

Determ ina to lerancia en %

1a. BA NDA

2a. BA NDA

3a. BA NDA

4a. BA NDA

BAN DA 1, 2, 3

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

4a. BA N DA

M AR RO N ±01%RO JO ±02%O RO ±05%P LATA ±10%SIN BANDA ±20%

Fig. 3.1.25 Tabla

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

Algunas veces es necesario reducir la cantidad de voltaje o de corrienteen un punto específico del circuito. El modo más fácil de reducir elvoltaje o la corriente suministrado a una carga es aumentando laresistencia. Esto se logra agregando resistores. Los resistores vienen endos tipos: variables y fijos. Los usos más comunes de los resistores encircuitos eléctricos se encuentran en los sistemas de sonido y en loscircuitos de control del aire acondicionado, que varían el voltaje alconectar varios resistores.

Los resistores se clasifican tanto en ohmios (por la cantidad deresistencia que proveen al circuito), como en vatios (por la cantidad decalor que disipan).

La última banda de color del resistor indica su tolerancia, que se refierede la cantidad que puede variar el valor actual del resistor respecto a laclasificación especificada, dada como porcentaje de clasificación total.Algunos resistores no tienen banda en esta última posición. Talesresistores tienen una tolerancia de 20% del valor de la resistencia.

Algunos circuitos se diseñan con valores precisos de resistencia, y nooperarán en forma adecuada si los resistores no tienen estos valores. Poresta razón, no reemplace nunca un resistor con uno de tolerancia másalta.

Resistores y vatiajes

Debido a que un resistor soporta un flujo de corriente, dentro de éste seproduce una fricción eléctrica. Esto crea un calor que el resistor debe sercapaz de disipar. El calor en exceso puede modificar el valor de unresistor, de tal modo, que se sale definitivamente de la gama declasificación y tolerancia para el que fue diseñado.

El vatiajees la forma en que medimos la cantidad de energía consumidapor un resistor. Mientras mayor sea el vatiaje, mayor será la cantidad decalor que puede soportar el resistor. La figura 3.1.26 muestra ejemplosdel 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 delcircuito 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 composiciónde carbón, por su tamaño. Las clasificaciones más comunes son 1/10de vatio, ¼ de vatio ½ vatio, 1 vatio y 2 vatios.

Los resistores vistos hasta el momento son de valor fijo, lo cual quieredecir que no se puede modificar su clasificación. Otros resistores sonvariables (figura 3.1.27), lo que significa que su resistencia puedecambiarse ajustando un control. El control mueve un contacto sobre lasuperficie de una resistencia. Como la corriente fluye a través de unalongitud mayor a la del material del resistor, la corriente diminuye; entanto que si ésta fluye a través de menos material del resistor, lacorriente aumenta.

La cantidad de variación y el número de posiciones de la resistenciadependen del diseño del resistor. Algunos tienen solamente dos valoresdiferentes de resistencia, mientras otros tienen un rango infinito entre susmínimos y sus máximos valores.

Los resistores variables pueden ser lineales o no lineales. La resistenciade un resistor lineal se incrementa de modo uniforme. Cuando el controlse fija a un cuarto de su recorrido, la resistencia aumenta a un cuarto desu máximo; cuando el control se fija a la mitad de su recorrido, laresistencia 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 símboloesquemático de un reóstato.


12V

FUSIBLE(7,5A)

Resistor Variable

Interruptor 1

LámparaGrande

Fig. 3.1.27 Resistor variable

Fig. 3.1.28 Reóstato

Resistores variables

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

Otro tipo de resistor variable es el potenciómetro. El potenciómetroprovee dos pasos para el flujo de corriente y puede controlarse manual omecánicamente. La figura 3.1.29 muestra un potenciómetro usado en unsistema de combustible. El medidorde combustible mide un valor deresistencia específica del sistema, que corresponde a una condiciónespecífica del sistema. La resistencia de salida se mide en el módulo dela pantalla principal y el valor corresponde a la profundidad delcombustible en el tanque.


Fig. 3.1.29 Potenciómetro

Un potenciómetro tiene tres terminales y trabaja dividiendo el voltajeentre dos de ellos. Los potenciómetros pueden también diseñarse paratrabajar como reóstatos.

Termistores

Los termistores (resistores térmicos) son un tipo de resistor variable queopera automáticamente. Un termistor está hecho de carbono. A altastemperaturas, la resistencia del carbono disminuye en vez de aumentar.Esta propiedad es útil en ciertos circuitos eléctricos. Los elementos deun termistor se utilizan mucho en los sensores de las máquinasCaterpillar 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 lacorriente o permiten el paso de exceso de corriente).

Por otra parte, los resistores variables poseen un área plana en donde laspartes movibles rozan unas contra otras, y causan desgaste. Esto puedeevidenciarse como falta de respuesta en una parte del recorrido delresistor.

En este punto realice las prácticas de taller 3.1.5 y 3.1.6.

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

Condensador

Un condensador es un dispositivo que puede almacenar una cargaeléctrica, creando así, un campo eléctrico que a su vez puede almacenarenergía. La medición de esta característica de almacenar energía seconoce como "capacitancia". En los sistemas eléctricos Caterpillar loscondensadores se utilizan para almacenar energía, como temporizadoresy como filtros.

Los diseños varían, pero un condensador sencillo puede hacerse con dosplanchas de material conductor, separadas por un material aislador o"dieléctrico". Los materiales dieléctricos típicos son el aire, el papel, elplástico y la cerámica.

Almacenamiento de energía de un condensador

En algunos circuitos, un condensador puede reemplazar una batería. Sien el circuito se instala un condensador con una fuente de voltaje, lacorriente fluye brevemente en el circuito mientras se carga elcondensador. Esto significa que los electrones se acumulan en lasuperficie de la plancha conectada al terminal negativo y se alejan de laplancha conectada al terminal positivo. Este efecto continúa hasta que lacarga eléctrica del condensador y la fuente de voltaje sean iguales. Lavelocidad, muy rápida, a la que sucede esto, depende de varios factoresque incluyen el voltaje aplicado y el tamaño del condensador.

Cuando el condensador se carga al mismo potencial de la fuente devoltaje, se detiene el flujo de corriente. Entonces el condensador puedemantener su carga cuando se desconecta de la fuente de voltaje. Con lasdos planchas separadas por un dieléctrico, los electrones no tienen adonde ir. La plancha negativa retiene sus electrones acumulados y laplancha positiva tiene aún un faltante de electrones. De este modo, elcondensador almacena energía.


EN PARALELO EN SERIE

C 1 = C 1 + C 2 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 lacantidad de electrones que un condensador puede almacenar. Elfaradio indica una cantidad muy grande de electrones. En el sistemaque nosotros usamos, usted verá los condensadores clasificados en"microfaradios" (µF). Un microfaradio es una millonésima de unfaradio.

Además de los faradios, los condensadores también se clasifican deacuerdo con el voltaje máximo que pueden manejar. Cuandoreemplace un condensador, nunca use un condensador con unaclasificación de voltaje más baja.

Para determinar la capacitancia de un condensador se combinan tresfactores:

El área de las planchas conductoras

Las distancia entre las planchas conductoras

El material usado como dieléctrico.

Un condensador cargado puede distribuir su energía almacenada de lamisma forma en que lo haría una batería (aunque es importante señalarque, a diferencia de la batería, un condensador almacena electricidadpero no la crea). Cuando un condensador se utiliza para distribuir unaapropiada pequeña cantidad de corriente, el condensador puede distribuirvoltaje a un circuito hasta por algunas semanas.


Cálculo de la capacitancia total

La capacitancia total de un circuito depende del diseño de loscondensadores del circuito.

Cuando los condensadores están en paralelo, la capacitancia total secalcula con la siguiente ecuación:

CT = C1 + C2 + C3...

Cuando los condensadores están en serie, la capacitancia total secalcula con la siguiente ecuación:

CT = 1

1 + 1 C1 C2

NOTA: Cortocircuite siempre los terminales de un condensadorantes de conectarlo a un circuito o a un medidor. Esto descargarácualquier residuo que pueda estar almacenado.


Lección 2: Componentes Eléctricos de Estado Sólido

Lecc

ión

2:C

ompo

nent

es E

léct

ricos

de

Est

ado

Sól

ido

Introducción:

Los circuitos electrónicos modernos usan componentes de estadosólido. En esta lección se verán los componentes eléctricos de estadosólido presentes en las máquinas Caterpillar.


Demostrar que conoce la función de los componentes eléctricosde estado sólido, seleccionando las respuestas correctas en unexamen de escogencia múltiple.

Dados un equipo de capacitación y un multímetro digital, probarun circuito eléctrico que contenga un diodo y respondercorrectamente las respuestas a las preguntas de la prácticacorrespondiente.

Dados un equipo de capacitación y un multímetro digital, probarun circuito eléctrico que contenga un transistor y respondercorrectamente las respuestas a las preguntas de la prácticacorrespondiente.

C OM PO NENT ES Y SIM BO LO SELECT RICO S

¥ Diagram as Eléctrico s

¥ C om ponen tes Eléctricos B ásicos

¥ C om ponen tes E léctricos de Estad o S ólido

M AT ERIAL T IPO - N M AT ERIA L TIPO - P

Fig. 3.2.1 Unión PN de un diodo

Funcionamiento de los semiconductores

Los semiconductores puros tienen los electrones ligados fuertementeen su capa electrónica, de modo que no es posible que los electronesse muevan. En su estado natural, estos elementos no son útiles paraconducir la electricidad.

Sin embargo, los semiconductores si se mezclancon impurezaspueden convertirse en buenos conductores. Las impurezas afectan lacantidad de electrones que tiene el semiconductor. Dependiendo deltipo de impurezas presentes, el material resultante tendrá ya sea unexceso de electrones libres o una faltade electrones libres.

Si el material añadido crea en el semiconductor un exceso deelectrones libres, el semiconductor es negativo o de tipo "N". Si elmaterial añadido crea una faltade electrones libres, el semiconductores positivo o de tipo "P".

Semiconductores

Ya habíamos visto que algunos elementos, como el cobre, son buenosconductores, mientras que otros elementos son pobres conductores,pero buenos aisladores. Sin embargo, existen otros elementos que noson ni buenos conductores ni buenos aisladores. Si un elementopertenece a este grupo, y además, puede modificarse para convertirseen un conductor útil, recibe el nombre de semiconductor. El silicio yel germanio son los elementos más comúnmente usados comosemiconductores.

Ejemplos de semiconductores incluyen los diodos, los transistores ylos circuitos integrados. Los semiconductores se usan ampliamente enlas máquinas Caterpillar, frecuentemente para reemplazar losinterruptores mecánicos. Veremos en este curso los diodos y lostransistores.

Todos lo semiconductores son dispositivos de estado sólido. Undispositivo de estado sólido es aquel que puede controlar la corrientesin tener piezas móviles, filamentos que se calienten o tubos de vacío.Hay otros dispositivos de estado sólido que no son semiconductores,como los transformadores.


Flujo de corriente a través de los semiconductores

Cuando se describe elflujo de electricidad a través de unsemiconductor, hay cierta diferencia respecto de otros dispositivoseléctricos. Generalmente, se define el movimiento de la electricidadcomo el movimiento de electrones libres que se desplazan unos aotros desde el terminal negativo de la fuente de voltaje, a través delconductor,hastael terminal positivo. Cuando hablamos de lossemiconductores, describimos no sólo el flujo de electrones, sinotambién el flujo de “huecos” o espacios en una capa electrónica haciael cual es atraído un electrón.

El flujo de electrones es relativamente fácil de visualizar. Ustedpuede pensar en un flujo de bolas de billar que se mueven a través deun canal. El flujo de huecos es un poco más difícil de visualizar.

Fig. 3.2.2 Movimiento de huecos

Los semiconductores están formados por capas. Debe existir al menosuna capa de material tipo “N” y una capa de material tipo “P”. Estascapas están montadas dentro de una caja de material plástico o demetal. El área entre el material tipo "N" y el material tipo "P" seconoce como la unión “PN”


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

Si no hay voltaje en el semiconductor, los electrones libres de launión "PN" son atraídos por los huecos del material tipo "P". Algunoselectrones atraviesan la unión “PN” para combinarsecon los huecos.De igual modo, los huecos del material tipo "P" se puede decir queson atraídos por los electrones libres del material tipo “N". Loshuecos, aunque no tienen una característica de partículas en símismos, pueden visualizarse como cruzando la unión "PN" paracombinarse con los electrones.

Región de agotamiento

Si no hay un voltaje externo aplicado a los semiconductores, existeun límite de la cantidad de electrones y huecos que atraviesan launión "PN". Cada electrón que atraviesa la unión deja un átomo queha perdido un electrón o carga negativa. Este átomo se conoce comoión positivo. Del mismo modo, cada hueco que atraviesa la unióndeja un ión negativo. A medida que los iones positivos se acumulanen el material tipo “N”, ejercen una fuerza (un potencial) que evitaque salgan más electrones. A medida que los iones negativos seacumulan en el material tipo "P", ejercen un potencial que evita quesalgan más huecos. Esto llevará a una condición estable que deja unfaltante tanto de huecos como de electrones en la unión "PN". Estazona es llamada “región de agotamiento”.

Voltaje de barrera

Cuando se aplica un voltaje al semiconductor "PN" (y suponiendoque el semiconductor del circuito permita el flujo de electricidad.Veánse polaridad directa e inversa en la siguiente lección), loselectrones 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 queestáncolocadas las capas de material tipo "P" y "N".

El potencial de voltaje a través de la unión "PN" se conoce comovoltaje de barrera. El germanio con impurezas tiene un voltaje debarrera de cerca de 0,3 voltios. El silicio con impurezas tiene unvoltaje de barrera de cerca de 0,6 voltios.


Diodos

La forma más simple de un semiconductor es el diodo. El diodoconsta 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 sentidoen que la corriente fluye, cuando se usa la teoría convencional delflujo de corriente.

Los diodos de los circuitos eléctricos se usan para casi todos lospropósitos, incluyendo iluminación, rectificación de corriente yprotección contra crestas de voltaje.

Anodo / Cátodo


AN OD O CATO DO

Fig. 3.2.3 Diagrama de diodo y símbolo de diagrama

La corriente fluye de izquierda a derecha en la figura 3.2.3. Podemosindicar esto con un signo positivo (+) a la izquierda del diodo y unsigno negativo (- ) a la derecha del diodo. El lado positivo del diodose 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 ladonegativo). El cátodo es el extremo donde está ubicada la banda. Lacorriente fluye por el diodo cuando el terminal del ánodo es máspositivo que el terminal del cátodo.

P

N

A nodo

C átodo

Fig. 3.2.4 Diodo de polaridad directa

Polaridad del diodo

El término "polaridad" se usa para referirse a la capacidad de undiodo de permitir o detener el flujo de corriente en un circuito.

Un diodo de polaridad directa se conecta a un circuito de tal modoque permite el flujo de electricidad. Esto se hace conectando el ladoN del diodo (el cátodo) al voltaje negativo, y el lado P (el ánodo) alvoltaje positivo. Cuando el diodo se conecta de este modo, tanto loselectrones como los huecos son forzados a alcanzar la zona deagotamiento y conectan el circuito. La corriente fluye en la direcciónde la flecha, lo que indica que el diodo tiene polaridad directa.

Cuando un diodo con polaridad directa se conecta a una fuente devoltaje de este modo, actúa como un interruptor y cierra el circuito.Usted puede pensar que el voltaje está forzando tanto a los electronescomo a los huecos en la región de agotamiento, lo que permite que lacorriente fluya.

Un diodo no será conductor (corriente que fluye) hasta que el voltajedirecto (polaridad) alcanza cierto umbral. El voltaje de umbral esdeterminado por el tipo de material usado en la construcción deldiodo. Un diodo de germanio generalmente comienza a conducir lacorriente cuando el voltaje directo alcanza aproximadamente 300milivoltios, mientras que un diodo de silicio requiereaproximadamente 600 milivoltios.

Un diodo está limitado por la cantidad de corriente que puede fluir através de la unión. La resistencia interna del diodo producirá calor amedida que la corriente fluye. Un exceso de corriente producirádemasiado calor y dañará el diodo.


P

N

Fig. 3.2.5 Diodo de polaridad inversa

Un diodo conectado a un voltaje de modo que la corriente no pueda fluires un diodo de polaridad inversa. Esto significa que el terminal negativoestá conectado al lado P del diodo y el terminal positivo está conectadoal 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 devoltaje negativo se combinan con los huecos dejados por los electronesdel material de tipo “P”. Los electrones del material de tipo “N” sonatraídos hacia el terminal de voltaje positivo. Esto aumenta el área deagotamiento. Ya que los huecos y los electrones del área de agotamientono se combinan, la corriente puede fluir.

Cuando un diodo está en polaridad inversa, la región de agotamientoactúa como un interruptor abierto, y bloquea la corriente. Con elterminal negativo conectado al material P, los huecos son atraídos fuerade la región de agotamiento. Con el terminal positivo conectado almaterial N, los electrones son atraídos del mismo modo fuera de laregión de agotamiento. El resultado es una amplia zona que no contieneni huecos ni electrones que puedan transportar el flujo de corriente.

Escape de corriente del diodo

En realidad,una muy pequeñacantidad de corriente puede fluir a travésde un diodo de polaridad inversa. Si el voltaje es lo suficientemente alto,la estructura atómica dentro del diodo se romperá, y la cantidad decorriente que fluye a través de él aumentará drásticamente. Si lacorriente 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 unaresistencia pequeña o un cortocircuito. Si el diodo es de polaridadinversa, actúa como una resistencia muy grande o circuito abierto.


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 opunto Zener. Los diodos se clasifican de acuerdo con este voltaje. Loscircuitos están diseñados para incluir diodos con una clasificación losuficientemente alta para proteger el diodo y el circuito durante la operaciónnormal.

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 quepuedan dañar los circuitos de estado sólido (que actúan como circuitosde protección)

Diodos Zener y regulación de voltaje

Un diodo Zener es una clase especial de diodo que ha sido altamenteimpurificado durante su manufactura.El resultado es un alto número deelectrones libres y huecos de electrones. Este transporte de corrienteadicional permite el flujo de corriente inversa cuando se alcanza ciertovoltaje de polaridad inversa (el punto de avalancha o punto Zener) . Enpolaridad directa, el diodo Zener actúa como un diodo regulador.

Un diodo Zener común no conduce la corriente enla dirección inversa si elvoltaje de polaridad inversa es menor de seis voltios. Pero, si el voltaje depolaridad inversa alcanza o excede los seis voltios, el diodo conducirá lacorriente inversa. Este diodo Zener se usa frecuentemente en los circuitos decontrol de voltaje.


+-

Fig. 3.2.7 Símbolo esquemático de un LED

Diodos luminiscentes (LED) e iluminación

Otro tipo de diodo usadocon frecuencia como lámpara indicadora esel diodo luminiscente (LED). Al igual que todos los diodos, los LEDpermiten el flujo de corriente sólo en un sentido. La diferencia está enque cuando se aplica voltaje directo a un LED, el LED emite luz.Varios LED conectados en serie en una disposición especial puedenindicar los números o las letras en una pantalla.

Mientras la mayoría de los diodos de silicio necesitan para suconexión cerca de 0,5 ó 0,7 voltios, los LED necesitanaproximadamente de 1,5 a 2,2 voltios. Este voltaje produce corrienteslo suficientemente altas para dañar un LED. La mayoría de los LEDpueden manejar sólo alrededorde 20 a 30 mA de corriente. Paraprevenir el daño de un LED, un resistor, que limita la corriente, secoloca en serie con el LED.

Los LED y las lámparas incandescentes

En circuitos eléctricos complejos, los LED son una alternativaexcelente para reemplazar las lámparas incandescentes. Los LEDproducen mucho menos calor y necesitan menos corriente paraoperar, además que se conectan y se desconectan más rápidamente.


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


A

B

D 1

D 4

D 2

R 1

D 3

Fig. 3.2.8 Puente rectificador de diodo simple

Diodos como rectificadoresLos rectificadores cambian la corriente alterna (CA) en corrientecontinua (CC). Algunos diodos se pueden combinar para construir unrectificador de diodos, el cual se conoce también con el nombre depuente rectificador.

Rectificador/Generador

El uso más común de un rectificador en los sistemas eléctricosCaterpillar está en el alternador. El alternador produce corrientealterna (CA). Como los sistemas eléctricos usan corriente continua(CC), el alternador debe, de algún modo, convertir la corriente CA encorriente CC. Entonces, debe proveerse corriente CC en el terminalde salida del alternador.

Los alternadores usan un puente rectificador de diodos para cambiarla corriente CA en corriente CC. El uso de diodos en un alternador severá 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 significaque el voltaje de A alterna entre positivo y negativo.

Cuando el voltaje de A es positivo, la corriente fluye de A a la uniónentre los diodos D1 y D2. Tenga en cuenta la direcciónde las flechasde cada diodo. La corriente no puede fluir a través de D1, pero puedefluir 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 através 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 delcircuito de este ejemplo simplificado es un resistor. En un sistema decarga real, la carga sería la batería). La corriente siguea lo largo delcircuito hasta que alcanza la unión de D1 y D3.


EN TR ADAS

SA LIDAS

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

Aunque el voltaje aplicado a D1 es de polaridad directa, la corrienteno puede fluir a través de él debido a que no hay voltaje positivo enel 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 seinvierte el voltaje del estator, de modo que el punto B sea positivo, lacorriente 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 dela carga (R1). Esto significa que la corriente es CC.


En los generadores los rectificadores se diseñan para tener un diodode salida (positivo) y un diodo de entrada (negativo) para cada ondaalterna de corriente. Este tipo de rectificador se llama de ondacompleta. En este tipo de rectificador, hay un pulso de CC por cadapulso de CA. El pulso CC generado se llama pulso de onda completaCC, como el de la figura 3.2.9.

En este punto realice la práctica de taller 3.2.2

+12V +1 2V

Fig. 3.2.10 Crestas de voltaje generadas en bobinas cuando elcampo colapsa

Diodos en protección de circuitos

Los dispositivos electromagnéticos tales como los solenoides y reléstienen una característica única, que puede ocasionar crestas de voltajesi no se controlan. La bobina es un dispositivo que crea un campomagnético a medida que la corriente fluye a través de él. Cuando elcircuito se abre abruptamente y se quita el suministro de voltaje, elcampo magnético que colapsa genera su propio potencial de voltaje.El potencial de voltaje puede ser lo suficientemente alto para dañaralgunos componentes del circuito, especialmente los controladoressensibles de estado sólido.

Como protección contra estas crestas o sobretensiones, se añadendiodos de sujeciónen paralelo con la bobina. Mientras se aplicavoltaje al circuito, el diodo estará en polarización inversa y noconducirá la electricidad. Cuando se quita el voltaje y la corrienteinducida está fluyendo, el diodo estará en polarización directa yconducirá la corriente. La corriente fluye disipándose en un pasocircular a través del diodo y la bobina.

La corriente inducida puede causar otros problemas, además de lascrestas de voltaje. Los computadores, en las máquinas Caterpillaractuales, efectúan decisiones basados en los voltajes de los circuitos.Los computadores harán decisiones erróneas si los dispositivoselectromagnéticos producen voltajes anormales.


Pruebas de los diodos

Cuando un diodo está funcionando correctamente en un circuito, eldiodo actúa como una alta caída de voltaje en un sentido, y como unapequeña caída de voltaje en el otro sentido. Infortunadamente, probar losdiodos no siempre es tan simple. De hecho, hay cuatro modos posiblesde 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 circuitodesconectado

Si el diodo está en un circuito en serie, puede probarse con el circuitoCONECTADO. Para un diodo de silicio típico, la caída de voltaje depolarización directa-inversa debe ser de aproximadamente 0,6 voltios.

Si el diodo está en un circuito en paralelo, el diodo debe probarse con unmedidor análogo y no con un medidor digital.

TRANSISTORES

El diodo es sólo un tipo de semiconductor. Al combinar varias clases dematerial semiconductor, podemos crear los transistores. Al igual que losdiodos, los transistores controlan el flujo de corriente. Los transistorespueden realizar prácticamente todas las funciones que realizan los tubosde 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 grandesgrupos: bipolares y monopolares (también llamados Transistores deEfecto de Campo, o FET). Aunque hay varias diferencias entre estosdos tipos, las diferencias más importantes para nuestro propósito son:

* Los transistores bipolares varían la corriente para controlar elvoltaje

* Los transistores FET varían el voltaje para controlar la corriente

Los transistores bipolares son los más comunes en los circuitoseléctricos Caterpillar, así que los estudiaremos con mayor detalle.


P PN N NP

EM ISOR CO LE CT OR

BASEEM ISO R CO LE CTO R

BASE

E M ISO R CO LE CTO R

BASE

BASE

EM ISO R CO LE CTO R

Fig. 3.2.11 Transistores bipolares

Diseño de los transistores

Al igual que los diodos, los transistores contienen una combinaciónde capas de material tipo P y N. Sin embargo, los transistorescontienen tres capas de material en lugar de dos. Las tres capas tienenuna disposición en la cual los materiales de tipo P y N están alternos(ya sea como grupos NPN o PNP). En términos prácticos, estosignifica que los diodos tienen dos cables, mientras que lostransistores tienen tres. La figura 3.2.11 es una representaciónsimbólica del diseño de un transistor.

Emisor, base y colector

En la figura 3.2.11, el material de la izquierda se llama emisor. Elmaterial del medio se llama base. El material de la derecha se llamacolector.

Los símbolos de la parte superior de la figura 3.2.11 son los símbolosde diagrama de un transistor. La flecha indicael sentidodel flujo decorriente (usando la teoría convencional), y está siempre en el emisor.La flecha señalará en un sentidodiferente dependiendo de si eltransistor es PNP o NPN.

Los transistores FET también tienen tres secciones, conocidas comopuerta (que se aproxima a la función de la base), fuente (similar alemisor) y drenaje (de función similar al colector).


Función básica

Un transistor funciona al usar la base para controlar el flujo decorriente entre el emisor y el colector. Cuando el transistor se“conecta” la corriente puede fluir en el sentido de la flechaúnicamente. Cuando el transistor se “desconecta” la corriente nopuede fluir en ningún sentido.

Pasos de la base

Es importante tener encuenta que la conexión de la basede untransistor bipolar controla el flujo de corriente. Aunque la basemaneja sólo una pequeña cantidad del flujo de la corriente total(típicamente alrededor de 2% del total), es este flujo de corriente através de la base lo que permite que la corriente fluya del emisor alcolector.

¿Transistor PNP o NPN?

Hay un modo fácil de identificar el tipo de transistor sin pensar en elmovimiento de los electrones o de los huecos electrónicos. Recuerdeque la flecha siempre señala hacia el material de tipo N y hacia afueradel material de tipo P. Así, en un transistor PNP, la flecha señala haciala base. En un transistor NPN, la flecha señala hacia afuera de labase.

En los circuitos eléctricos Caterpillar, son más comunes lostransistores NPN que los PNP.

Operación de los transistores

Cuando se trata de entender cómo funciona un transistor en uncircuito específico, hay dos cosas que se deben recordar: Primera, untransistor NPN se conecta aplicando un voltaje a la conexión base, yse desconecta quitando el voltaje de la conexión base. Esto es muysimilar a la operación de un relé, el cual se conecta y se desconectaaplicando voltaje a la bobina.

Segunda, la corriente a través del circuito base es siempre menor quela corriente a través del circuito colector. Cambiando la corriente basesólo 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 basemás la corriente del colector. Dicho de otra manera, la corriente delcircuito emisor se divide entre el circuito base y el circuito colector.


En algunos circuitos, es deseable tener transistores que funcionencomo relés. Por ejemplo, en la figura 3.2.12, un interruptor con muypoca corriente controla una lámpara que consume gran cantidad decorriente. Este es un “relé de estado sólido”, y tiene varias ventajassobre un relé mecánico. El relé de estado sólido puede hacer laconexión o la desconexión más rápido, es más pequeño y no sufredesgaste.

Los “relés” de transistores son muy distintos a los relés mecánicos enun aspecto importante. Un relé mecánico actúa como un interruptorque conecta o desconecta completamente la corriente. Un transistorvaría el flujo de corriente de acuerdo con la corriente que estéfluyendo a través de la base.

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


CO RR IE NTED EL EM ISOR

(I E)

CO RR IE NT EDE L CO LE CTO R

(I C)

CO R RIE NTEDE L A BASE

(I B)

C OR RIEN TEDE L C OL ECT OR

(I C)

C ORR IE NT EDE L A BASE

(I B)CO RR IEN TEDE L EM ISOR

(I E)

Fig. 3.2.12

Relés de estado sólido

Resistores en circuitos con transistores

Los resistores se usan con los transistores para varios propósitos. Porejemplo, usando los resistores, el voltaje suministrado al transistorpuede controlarse con precisión, lo cual a su vez produce corrientesde salida precisas. Los resistores usados de este modo son colocadosen el circuito base.

La segunda función es proteger el transistor. Si los resistores u otrasresistencias 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 característicasde un transistor específico. Por ejemplo, la ganancia de la corrientedel transistor determina la relación entre la corriente del circuito delcolector y la corriente del circuito de la base. Si un transistor tieneuna ganancia de 100 y una corriente base de 10 mA, entonces lacorriente del circuito colector es multiplicada por 10, lo que equivalea 1.000mA, o 1A.

Los transistores pueden clasificarse de otras formas similares a las delos diodos. Hay clasificaciones para indicar la rapidez con que eltransistor puede conectarse o desconectarse, la cantidad de calor quepuede manejar y la cantidad de corriente que escapa a través deltransistor cuando está desconectado.

Otras aplicaciones

Los transistores son útiles como dispositivos deconexión/desconexión. Si usted ve un transistor en un circuitoeléctrico, posiblemente está funcionando como interruptor. Sinembargo, usted debe saber que los transistores pueden también usarsepara amplificar u oscilar la corriente, o para atenuarla.


Empalmes

El formato PRO/E para empalmes usa dos puntos de conexión paraindicar en qué lado está cada cable. El formato de identificaciónanterior usaba un solo punto para indicar un empalme.

El nuevo formato muestra que en el mazo "G", cable 405-G9 GY-16hay un empalme hacia los dos cables, el "405-G7 GY-16" y el "405-G14 GY-16."

NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistemade identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado paraobtener información más detallada.

Algunas de las características encontradas en el reverso deldiagrama incluyen:

Símbolos e identificación de cables y mazos de los diagramaseléctricos.

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,identificadoscomo la silueta de la máquina.

Lista de códigos de identificación de componentes (CID) yconversión del código flash.

Tabla de ubicación de componentes.

Especificación de solenoides y resistores.

Lista de identificadores de modalidad de falla (FMI).


Fig. 3.3.5 Empalmes

FORMATO ANTERIOR

FORMATO NUEVO

10 A

E m palm e

10 A E m palm e

E m palm e

40 5-GY -1 6

4 05-G9 GY -16

40 5-G14 GY -1 6

40 5-G7 G Y-16

40 5-GY -1 6

Fig. 3.3.3

FORMATO ANTERIOR

FORMATO NUEVO

10 A

1 0 A

H -P 1 21 13-849 0

F U S IB L E1 13 -84 90

Fig. 3.3.4 Componentes

Componentes

El método anterior de identificación de los componentes de losdiagramas eléctricos contiene el nombre descriptivo y el número depiezas del componente. Los diagramas que utilizan el nuevo formatoPRO/E contienen una letra de identificación del mazo (H), un códigode señalización (P-12) en donde “P” indica que es una pieza y “12” laposición en el mazo (la pieza número “12” en el mazo “H”), y elnúmero de piezas del componente (113-8490).


Conectores

El nuevo formato de identificación de los conectores incluye elcódigo de identificación del mazo (H), identifica el conjunto como unconector (C), identifica el número de conector dentro del mazo (7) eindica el número de pieza del conector (3E3382).



FORMATO ANTERIOR

H GE T I Q U E T A D E L C O N E C T O RE T I Q U E TA D E L C O N E C T O R

FORMATO NUEVO

H-C 73E3382

G -C13E3379

E T IQ U E T A D E L C O N E C T O RE T I Q U E T A D E L C O N E C T O R

“H” es la identificación del mazo, la letra “C” indica que es conector,"7" es el número del conector en el mazo,

y 3E3382 es el número de pieza del conector toma

169 - P K - 18

E T IQ UE TA D E CA B L E

C OD IGO DE CO L OR C AL I B RE D E C AB L E

F OR MATO AN TER IO R

169 - H5 PK - 18

ET IQ UE TA D E CA B L E

CO DIGO DE C OL OR

C AL IB R E D E C AB L E

FO R MATO N UE VO

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 losdiagramas del sistema eléctrico. El nuevo formato se llama PRO/E ysuministra información adicional del cable, el conector componente yel símbolo de empalme. La siguiente información contiene unadescripción del nuevo formato.

Etiquetas de identificación de cable

La figura muestra el nuevo formato para identificar un cable. Elcódigo contiene el número de asignación del cable que identifica elcircuito (169), el código de identificación del mazo (H), el númerodel cable del mazo (5), el código de color (PK) y el calibre del cable(18).

NOTA: Los códigos mostrados son sólo ejemplos del nuevo sistemade identificación. Consulte el diagrama eléctrico apropiado paraobtener información más detallada y precisa.


Características de los diagramas eléctricos

Los diagramas eléctricos Caterpillar contienen gran cantidad deinformación útil. La información está contenida en ambos lados deldiagrama, y el técnico necesita el máximo conocimiento posible parapoder leer e interpretar toda la información allí contenida.

En este punto, distribuya los diagramas eléctricos entre losestudiantes.

Algunas de las características encontradas en la parte delantera deldiagrama 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 losdiagramas eléctricos. La siguiente es una recomendación paraaclarar las confusiones asociadas con las líneas punteadas:

La líneas punteadas “en colores” representan circuitos accesorios.Use los códigos de identificación de colores encontrados en eldiagrama para determinar el circuito.

Las líneas gruesas “punteadas dobles” identifican los circuitosylos componentes ubicados en la estación del operador.

Se usa una línea punteada (delgada de color negro) paraidentificar un accesorio, cable o componente (vea la descripciónde los símbolos en el diagrama).


1 0 AP O S N EG

T¡T¡

G S

MOTOR

MTR BAT

MOTOR DE ARRANQUE

A LT

+ R

MOTOR

IGN

S EN D

GR D

T¡

TRANS IS TOR FUS IBLE LUZ

INTERRUP TORDE PALANCA

RES IS TO RES

TIERRA

REOS TATO

B ATERIA DIS YUNTOR

RES IS TOR

S OLENOIDE

INTERRUPTORES DEP RES IO N

MEDIDOR

INTERRUP TO RDE DES CONEXIO N

P OTENCIO METRO

INTERRUPTO RDE TEMPERATURA

RELESALTERNADO R

MOTOR

Fig. 3.3.1 Símbolos de los diagramas eléctricos

Diagramas

Los diagramas son básicamente dibujos que, mediante símbolos ylíneas de conexión, explican cómo funciona un sistema. Los símbolosse usan para representar los dispositivos o los componentes de lossistemas eléctricos o electrónicos simples o complejos. Los símbolosde los diagramas se usan ampliamente en las publicacionesCaterpillar para el diagnóstico de problemas eléctricos.

Los técnicos usan los diagramas para determinar cómo funciona unsistema y sirven de ayuda en el proceso de reparación de un sistemaeléctrico.

Los símbolos de los diagramas representan gran cantidad deinformación en un espacio pequeño y su lectura en los diagramasrequiere experiencia y práctica. Una aproximación lógica paso a pasodel uso de los símbolos de diagramas para la localización y lasolución de problemas comienza con un entendimiento delfuncionamiento del sistema completo por parte del técnico. Aunqueen los diagramas de los circuitos se usa gran cantidad de símboloseléctricos, la figura 3.3.1 muestra algunos de los símbolos máscomunes usados en los circuitos eléctricos Caterpillar.


Lección 3: Diagramas Eléctricos

Lecc

ión

3:D

iagr

amas

Elé

ctric

os

Introducción

En esta lección se describe y se explica la información disponiblepara ayudar al técnico en el diagnóstico, la localización y la soluciónde 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 correspondea un nombre eléctrico dado. 2. Demostrar que lee e interpreta la información de losdiagramas eléctricos.

Los diagramas eléctricos usados en esta lección corresponden alCargador de Ruedas 950F (SENR5019). La lectura y el examen deesta lección tienen como base el diagrama eléctrico de estamáquina. Los materiales de referencia pueden adaptarsefácilmente a otro producto utilizando el diagrama específico de lamáquina y modificando el examen para que se ajuste al diagramacorrespondiente.

C OM PO NENT ES Y SIM BO LO SELEC TRICO S

¥ D iag ramas Eléctricos

¥ Co mpo nen tes Eléctrico s Básicos

¥ Co mpo nentes Eléctricos de E stad o Sól ido

Lección 1: Batería

Lecc

ión

1:B

ater

ía

Introducción

La batería almacena energía para el sistema eléctrico completo y, encaso necesario, produce corriente para los dispositivos eléctricos de lamáquina. En esta lección veremos la operación, el diseño y las pruebasde la batería.

Objetivos


Demostrar que conoce la función de la batería en el sistema eléctrico dela máquina, seleccionando la respuesta correcta a las preguntas de unexamen de selección múltiple.

Dadas una batería y las herramientas apropiadas, hacer las pruebas de labatería y responder correctamente las preguntas de la prácticacorrespondiente.

SISTEM AS ELEC TR IC OSDE L A M AQU IN A

¥ Sistema de A rranque

¥ Ba tería

¥ Sistema de Carga

Fig. 4.1.0

BORNETERMICO

GRUPO DEPLACAS NEGATIVAS

SEPARADOR

ELEMENTO

GRUPO DEPLACAS POSITIVAS

TRAMPA DE PLACAFUNDIDA

Fig. 4.1.1 Diseño de la batería

Baterías

Una batería almacena energía eléctrica en forma de energía química paraser liberada como energía eléctrica en los sistemas eléctricos de lamáquina, como el sistema de arranque, el sistema de carga y loscircuitos accesorios. La corriente de la batería se produce por unareacción química entre los materiales activos de las placas de la batería yel ácido sulfúrico presente en el electrolito. La batería es un estabilizadorde voltaje del sistema eléctrico y actúa como un acumulador o depósitode energía.

Después de un período de uso, la batería comienza a descargarse y noproducirá más flujo de corriente. La batería puede recargarse concorriente continua aplicada en el sentido opuesto al flujo de corrienteque sale de la batería. En operación normal, la batería se mantienecargada por la corriente de entrada del alternador.

Para una buena operación del sistema, la batería debe cumplir lassiguientes funciones:

- Suministrar corriente para el arranque del motor

- Suministrar corriente cuando la demanda excede la salida del sistemade carga

- Estabilizar el voltaje en el sistema durante la operación.


64% DE AGUAGrav. Esp. = 1

36% DE ACIDOGrav. Esp. = 1,834

ELECTROLITOGrav. Esp. = 1,270

Fig. 4.1.2 Electrolito de la batería

El electrolito de una batería completamente cargada es una soluciónconcentrada de ácido sulfúrico en agua. El electrolito tiene una gravedadespecífica de 1,270 a 27°C (80°F), es decir que pesa 1,270 veces másque el agua. La solución tiene cerca de 36% de ácido sulfúrico (H2S04)

y 64% de agua (H20).

Diseño de una batería

Una batería consta de un número de elementos individuales colocadosdentro de una caja de caucho o de plástico duro. Las unidades básicas decada celda son placas metálicas positivas y negativas, como se ilustra enla figura 4.1.1. Las placas negativas tienen una superficie de plomo,indicadas con color gris, mientras que las placas positivas tienen unasuperficie de peróxido de plomo, indicadas con color marrón. Las placaspositivas y negativas forman grupos de placas conectadas entre sí. Enalgunas baterías, existe una placa más en el grupo negativo que en elpositivo, lo cual permite que las placas negativas formen dos extremoscuando los grupos están interconectados. Otras baterías tienen el mismonúmero de placas positivas y negativas.

Cada placa del grupo se mantiene aislada de las placas vecinas porseparadores porosos. Estos separadores permiten un flujo libre deelectrolito alrededor de las placas activas.El conjunto completo recibe el nombre de elemento. Los elementos deceldas diferentes se conectan en serie para aumentar el voltaje. Lasceldas están separadas unas de otras, de modo que no hay flujo deelectrolito entre ellas. Cada celda produce aproximadamente 2,2 voltios,de manera que si 6 celdas se conectan en serie, la batería produciráaproximadamente 13,2 voltios.


BORNES

TAPAS DE VENTILACION

Fig. 4.1.3 Bornes de la batería y tapas de ventilación

Agua de batería

La necesidad de utilizar agua pura en las baterías siempre ha sido motivode controversia. Es un hecho que el agua con impurezas afecta la vidaútil y el rendimiento de la batería. Cierto o no, el efecto es significativodependiendo de la cantidad de minerales que contenga el agua usada enla batería. Generalmente, es mejor para la batería que se use aguadestilada 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 enpolaridad inversa. El terminal positivo tiene un "+" marcado en su partesuperior; y el borne negativo tiene un " - " marcado en su parte superior.En otras baterías los bornes se identifican con la marca "pos" y "neg" oanillos plásticos de color rojo para el positivo y negro para el negativo.


Tapas de ventilación de la batería

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

12 V O L T I O S 12 V O L T I O S

24 V OL T I O S

6 V O L T I O S

2 V 2 V 2 V2 V 2 V 2 V

12 V O L T I O S

Fig. 4.1.4 Celdas de batería conectadas en serie

FLUJO DE CORRIENTE

P RO DU CID O P ORP LA CAS D IF ER EN TE S EN

U NA SOL UC IO N D EEL 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 losmateriales activos de las diferentes placas y el ácido sulfúrico delelectrolito. Mientras se produce esta reacción química, se producedescarga de la batería. Después de que la mayoría de los materialesactivos ha reaccionado, la batería se descarga. La batería deberárecargarse antes de ser usada.

Potencial de la batería

Cada celda de una batería de almacenamiento tiene un potencial de cercade 2 voltios. Las baterías de seis voltios contienen tres celdasconectadas en serie, mientras que una batería de 12 voltios consta de seisceldas conectadas también en serie (fig. 4.1.4, diagrama superior). Paraobtener voltajes más altos se usan combinaciones de baterías. En lafigura 4.1.4. (diagrama inferior) dos baterías de 12 voltios se conectan enserie para proveer 24 voltios.


H2 SO4PbO 2 Pb

CA RGA C O MPL ET A

H2 SO4

H 2O

PL ACAPO SIT IVA

PL ACAN EG AT IVA

CO M POSICIONDEL EL ECT ROL ITO

DESC ARG ADA CO M PLET AM ENT 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 lossiguientes:

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 electrolitopara formar agua (H2O). Las placas negativas son fabricadas de plomo

(Pb). El plomo también se combina con los radicales sulfato delelectrolito para formar sulfato de plomo (PbSO4).

En el proceso de descarga de la batería, el sulfato de plomo se formatanto en la placa negativa como en la positiva, y hace similares las dosplacas en cuanto a su composición química. Estos depósitos de sulfatode plomo son responsables de la pérdida de voltaje de la celda, ya que elvoltaje depende de que las placas positivas y negativas sean diferentes.

Es de señalar que baterías del mismo voltaje pueden producir diferentescantidades de corriente. La razón es que la cantidad de corriente quepuede producir una batería depende del número y tamaño de sus placas.A mayor número de placas, mayor reacción química tendrá lugar entre elelectrolito y las placas, por tanto, mayor la cantidad de corrienteproducida. Si dos baterías de 12 voltios tienen un número diferente deplacas, la de mayor número de placas podrá suministrar más flujo decorriente y tendrá mayor capacidad.


Ciclo de carga

Las reacciones químicas que tienen lugar en la celda de la bateríadurante el ciclo de carga (figura 4.1.7) son esencialmente lo contrario deaquellas reacciones que ocurren durante el ciclo de descarga. El radicalsulfato deja las placas y regresa al electrolito, y repone la concentraciónde ácido sulfúrico. El oxígeno del agua producido en la descarga delelectrolito reacciona con el plomo en la placa positiva para formarperóxido de plomo.

SE PA RA D OR

E L E CT R OL IT O

PL AC A POS IT IV APL AC A

NE G AT IV A

SE PA R AD OR

E L E CT R OL IT O

PL A CA PO SIT I VAPL AC A

NE G AT IV A

DUR AN TE L A DESCAR GA D URA NT E LA CAR G A

A R RA NQ U E

E NC E N DID O

L U CE S

G E NE R AD O R O

A L T ER N AD OR

Fig. 4.1.7 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 bateríasuministra la corriente a los circuitos y comienza a descargarse.

A medida que la batería se descarga, se forma en las placas mayorcantidad de sulfato de plomo y aumenta la cantidad de agua en elelectrolito. Observe que aunque el radical (SO4) se separa del electrolito,

éste nunca sale de la batería. Por consiguiente, nunca adicione ácidosulfúrico (H2SO4) a la batería. La cantidad extra de sulfato (SO4) puede

hacer que la batería se descargue por sí sola a una velocidad más elevadade lo normal. El agua es la única substancia que debe reemplazarse enuna batería.


B A TER IA C AR GA

ALTER NA D OR

A LT

+ R

Fig. 4.1.8 Carga y descarga de la batería

Fig. 4.1.9 Servicio general de baterías Caterpillar

Electrólisis

Cuando una corriente eléctrica fluye a través del agua, las moléculas deagua se separan en sus dos elementos componentes, hidrógeno yoxígeno. Estos dos gases escapan a la superficie y se evaporan en el aire.Lógicamente, baja el nivel de agua. Este proceso se llama electrólisis yocurre siempre que se carga una batería. Cuando la corriente fluye através de un electrolito, tiene lugar la electrólisis y disminuye el nivel deagua.

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 noenvía 12 voltios todo el tiempo. Los principales factores que afectan latensión entre los bornes de una batería incluyen la temperatura y el ciclode operación.

Temperatura

Una batería produce corriente debido a reacciones químicas a través delácido sulfúrico que actúa sobre las placas positivas y negativas. A bajastemperaturas los compuestos químicos no reaccionan tan rápido y portanto la batería tiene voltaje bajo. La temperatura puede afectar latensión entre los bornes de la batería. Si la temperatura disminuye, labatería se vuelve menos eficiente y aumentan los requerimientos dearranque del motor.

El alternador envía corriente a la batería para ser recargada. La operaciónen el circuito de carga varía con la velocidad del motor. Cuando el motorestá apagado, sólo la batería proporciona corriente a los circuitosaccesorios. A velocidades bajas, tanto la batería como el alternadorpueden suministrar la corriente. A velocidades más altas, el alternadordebe tomar el control y suministrar la suficiente corriente para operar losaccesorios y también recargar la batería. El regulador de voltaje limita elvoltaje del alternador a un valor seguro para evitar sobrecargar la bateríaa velocidades altas.


A 27°C (81°F) una batería es 100% eficiente; es decir tiene plenaenergía para el arranque. A -30°C (-22°F) una batería tiene unaeficiencia de solamente 30%. Ya que el arranque del motor entemperaturas frías es más difícil, será aun más difícil si hay unatemperatura baja en la batería que hará que la salida de la batería seamás pequeña, lo cual aumenta la demanda del motor.

Tipos de baterías

Básicamente hay dos tipos de baterías utilizadas en vehículos y enequipos pesados:

- Convencionales- Libres de mantenimiento

Existen baterías que tienen características de ambos tipos y se consideraque necesitan poco mantenimiento.

Baterías convencionales

Las baterías convencionales pueden ser de carga seca o de cargahúmeda. Una batería de carga seca contiene elementos cargadoscompletamente, pero no contiene electrolito. Una vez activada llenándolacon electrolito, ésta es esencialmente igual a una batería de cargahúmeda. Una batería de carga seca retiene toda su carga mientras susceldas se mantengan libres de humedad. Si se almacena en un lugar secoy protegido del medio ambiente, este tipo de batería, al contrario de labatería de carga húmeda, no perderá parte de su carga en la estanteríaantes de su uso.

La activación de una batería de carga seca generalmente se hace en labodega donde el distribuidor adquiere la batería. Para asegurarse de quese usa el electrolito correcto y que la batería se activa en formaadecuada, muchos fabricantes proveen un paquete de electrolito a susbaterías de carga seca junto con las instrucciones para su activación.Estas instrucciones deben seguirse cuidadosamente.

Las baterías de carga húmeda contienen elementos completamentecargados y se llenan en fábrica con el electrolito. Una batería de cargahúmeda no mantendrá su estado de carga completa durante elalmacenamiento y debe recargarse periódicamente. Durante elalmacenamiento, aunque una batería no esté en uso, tiene lugar unareacción lenta entre el electrolito y las placas, lo que causa pérdida decarga. Esta reacción se llama autodescarga. La velocidad a la que ocurrela autodescarga varía en relación directa con la temperatura delelectrolito.


Fig. 4.1.10 Batería libre de mantenimiento Caterpillar

Baterías libres de mantenimiento

En un esfuerzo por reducir el mantenimiento de la batería y fabricarbaterías más confiables y de mayor duración, se diseñaron las baterías“libres de mantenimiento”. Una batería libre de mantenimiento se parecea una batería convencional, pero no tiene tapas de llenado, ya que elelectrolito se encuentra en su interior completamente sellado. Algunas deestas baterías tienen un indicador del estado de la carga.

El indicador es un hidrómetro incorporado con una pequeña esferaverde, la cual flota cuando la gravedad específica del electrolito es de1,225 o mayor. El indicador se usa también como método fácil y rápidode saber si la batería está cargada o descargada. Para leer el indicadorsiga las recomendaciones del fabricante.

Una batería cargada completamente y almacenada a 38°C (103°F) sedescargará completamente después de un período de almacenamiento de90 días. La misma batería almacenada a 15°C (59°F) tendrá solamenteuna ligera descarga después de 90 días. Por tanto, las baterías de cargahúmeda deben almacenarse en el lugar más frío posible, pero no tantocomo para congelar el electrolito.

Es de anotar que una batería de carga húmeda completamente cargada nose congelará a menos que la temperatura sea menor de -60°C (-76°F),mientras que una batería descargada con una gravedad específica de1,100 se congelará a -8°C (18°F). Las baterías de carga húmedaalmacenadas por largo tiempo sin ser recargadas pueden sufrir dañopermanente debido a la formación de una capa dura y densa de cristalesde sulfato de plomo en las placas. Para evitar la formación de estoscristales, las baterías de carga húmeda en almacenamiento deberáncargarse completamente cada 30 días.


Características de las baterías libres de mantenimiento

Ya que el electrolito está sellado internamente, la batería tiene unsuministro de por vida. Los niveles de la batería no tienen que revisarsey se eliminan los problemas de sobrellenado o bajo llenado de las celdas.Durante los procesos de carga y descarga se producen gases. Los gasesque alcanzan la superficie de la caja son atrapados por el líquidoseparador de gas, enfriados y condensados, y luego drenados al depósitodel electrolito. La presión interna producida es liberada a través de unpequeño orificio ubicado al lado de la tapa.

Las baterías libres de mantenimiento tienen grupos de placas como lasbaterías convencionales, pero los grupos son construidos de maneradiferente. Otra diferencia consiste en que las placas son colocadas enfundas que actúan como separadores y también recogen los sedimentosproducidos por la descomposición de las placas con el tiempo. Lasfundas son puestas juntas y permiten poner el elemento en el fondo de lacaja.

En contraste, en una batería convencional el elemento no está en elfondo, con el fin de dar espacio al sedimento y poder colectarlo sin tocarlas placas. Al tener el elemento descansando sobre el fondo del depósito,se permite que haya más electrolito que cubra las placas, lo cual mejorala eficiencia de la batería.

Otra importante diferencia de diseño en las baterías libres demantenimiento es el material usado para fabricar la rejilla de cada placade celda. En una batería convencional la rejilla se hace de plomo-antimonio, pero en una batería libre de mantenimiento, la rejilla estáhecha de plomo-calcio. Esta diferencia de material de la rejilla es la quehace que las baterías de libre mantenimiento no tengan que usar agua. Larejilla de plomo-calcio reduce significativamente la producción de gasesy la pérdida subsecuente de agua, comparada con una batería con placasde antimonio.

Batería de ciclo profundo

Una variación de la batería tipo plomo-ácido utilizada en vehículos yequipo pesado es la batería de ciclo profundo. Esta es también unabatería de plomo-ácido, pero está diseñada especialmente para uso enaplicaciones que no pueden incorporar sistemas de carga en el sistemaeléctrico y por tanto no pueden mantener la batería cargada.

Una batería de ciclo profundo también se usa en aplicaciones en dondela batería permite operar sistemas eléctricos cuando el motor no estáfuncionando, por ejemplo, una casa rodante.


Las baterías de ciclo profundo tienen un material activo más denso yplacas más gruesas, características que ayudan a mantener el materialactivo en la rejilla durante los repetidos ciclos de carga y descargaprofundos. Para reforzar las placas y reducir los daños por vibración yderramamiento del material activo de la rejilla pueden usarseseparadores de vidrio. Como su nombre lo indica, la batería puededescargarse totalmente y recargarse muchas veces sin daño, mientrasque una batería estándar para vehículo/equipo pesado se arruinaría muypronto 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: lacantidad de corriente que puede producir una batería) son el número, eltamaño y el grosor de las placas, así como la calidad y la concentracióndel electrolito. Las baterías usaron por muchos años el método declasificación amperio-hora, hasta que la clasificación de la nuevacapacidad de las baterías fue adoptado en 1971 por la Society ofAutomotive Engineers (SAE) y el Battery Council International (BCI).

Tres métodos actuales de los valores de clasificación de las baterías devehículo son: rendimiento del arranque en frío, rendimiento de arranquey capacidad de reserva.

Rendimiento del arranque en frío

El trabajo básico de una batería es arrancar un motor, lo que implica unadescarga alta en amperios por un corto tiempo. Teniendo en cuenta quees más difícil que una batería suministre energía cuando está fría y elmotor requiere mayor potencia para encender cuando está frío, laclasificación del arranque en frío se define como:

La descarga dada en amperios que una batería nueva, completamentecargada a -18°C (0°F) puede suministrar continuamente por 30segundos y que permite mantener 1,2 voltios por celda.

Muchas baterías de bajo precio pueden proporcionar solamente 200amperios, mientras baterías más poderosas pueden suministrar más de1.000 amperios en las mismas condiciones. El rendimiento del arranqueen frío de una batería debe igualar los requerimientos de potencia quenecesita un motor para arrancar. Si un motor en condiciones de fríorequiere 400 amperios para arrancar, obviamente una batería de bajoprecio que proporcione solamente 200 amperios sería inapropiada.


Rendimiento de arranque

El rendimiento de arranque a 0°C (32°F) es una nueva clasificaciónreconocida recientemente por el BCI. El rendimiento de arranque es ladescarga dada en amperios que una batería nueva, completamentecargada, a 0°C (32°F) puede suministrar continuamente por 30 segundosy le permite mantener 1,2 voltios por celda.

Capacidad de reserva

La capacidad de reserva se define como la capacidad de una batería desostener una carga eléctrica mínima en el evento de una avería en elsistema de carga. Esta es también una medida comparativa de lacapacidad de una batería para proveer energía a máquinas que tienencargas eléctricas residuales pequeñas por largo tiempo y aun tener lacapacidad suficiente para arrancar el motor. La clasificación de lacapacidad 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 mantenerla 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 capacidada la original. Una batería más pequeña, aunque puede parecerinicialmente adecuada, fallará eventualmente como resultado de un cicloexcesivo que reduce la vida útil de la batería. Puede necesitarse unabatería más grande que la original si se agregan al circuito eléctrico delvehículo accesorios tales como una unidad de aire acondicionado.

En casos en que la carga eléctrica es excesiva, puede necesitarse unalternador de salida alta. Este alternador de salida alta puede ayudar amantener cargada la batería y aumentar así la vida de servicio.


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 ustedprueba una batería y determina que necesita carga, tendrá que decidirqué método usa para recargarla.

Cargadores de batería

Cuando un motor está funcionando, la carga de la batería se mantienepor acción del sistema de carga. Sin embargo, ocasionalmente la cargade la batería puede disminuir y, si no se presta atención, la batería notendrá suficiente energía para arrancar el motor. Cuando la carga de labatería es baja, debe recargarse. La batería puede recargarse ya sea en elvehículo o fuera de él. Existe un número diferente de cargadores debatería clasificados como de corriente constante o de voltaje constante.

Cargadores de corriente constante

Un cargador de corriente constante suministra una corriente constante ouna cantidad de corriente fija a la batería. La cantidad de cargarecomendada es de 1 amperio por placa positiva por celda. Por ejemplo,si una batería tiene 5 placas positivas por celda, ésta deberá cargarse a 5amperios. Muchas baterías que cargan lentamente con un cargador decorriente constante requerirán entre 5 y 6 amperios.

Cargadores de voltaje constante

Un cargador de voltaje constante suministra a la batería voltaje constantedurante el período de carga, por ejemplo, 15 voltios para una batería de12 voltios. Este cargador podrá cargar la batería a un amperaje más omenos alto cuando la batería está baja y luego, mientras la bateríaacumula carga, el amperaje tiende a desaparecer casi a cero, mientras la


batería carga completamente. Los cargadores de voltaje continuo sonmás comunes que los cargadores de corriente constante.

Carga de baterías convencionales

Generalmente, el tiempo es el principal factor cuando usted decide sidebe cargar la batería con carga lenta o rápida. Obviamente, para labatería es mejor la carga lenta porque usted obtiene un mayor trabajo decarga. Sin embargo, usted no siempre dispone de tiempo (de 24 a 48horas) para hacer una carga lenta a la batería y en tales casos tiene quehacer 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 lamáxima cantidad de voltaje que pueden producir. Por ejemplo, uncargador de 60 voltios puede usarse en 5 baterías de 12 voltios (60voltios 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 amperioso menos. Cuando hay un número de baterías de diferentes tamaños en elcargador, promedie el valor de la carga. En algunos de los nuevoscargadores, usted no tiene que molestarse contando o promediando lasnuevas placas positivas. Estos cargadores tienen una banda amarilla,verde y roja en el indicador de valor de carga y se recomienda fijar elcontrol en la marca verde.

Para conectar un cargador de corriente constante, empiece por el cablenegro (negativo) del cargador y conéctelo al borne positivo de la últimabatería. Ahora, usando cables auxiliares en buen estado, conecte lasbaterías, positivo a negativo para completar el circuito en serie.

Verifique de nuevo todas las conexiones girando ligeramente lasconexiones de los bornes. Finalmente, conecte el cargador y ajústelo alvalor correcto de carga.

El estado de la carga de una batería en carga debe revisarse con unhidrómetro dos veces al día, de ser posible. El tiempo total de carga deuna batería puede variar de acuerdo con la fuerza de la carga con que seinicia, pero después de 48 horas las baterías deben estar cargadascompletamente. Si una batería indica que está completamente cargadaantes de 48 horas (su gravedad específica es de 1,275 o más), retírela delcargador.


Cargadores lentos de voltaje constante

Los cargadores de voltaje constante se usan en baterías conectadas enparalelo. El máximo número de baterías que puede manejar un cargadorse indica en el cargador.

El control de voltaje se ajusta a un voltaje específico, por ejemplo, 15voltios para una batería de 12 voltios. El cargador registraautomáticamente el valor de carga. El valor de carga será alto cuando labatería descargada se conecta primero al cargador, y disminuyegradualmente cuando la batería esté completamente cargada. Cuando seconectan baterías en paralelo a un cargador de voltaje constante,empiece con el polo negativo (negro) del cargador, y conecte éste alborne negativo (-) de la primera batería. Ahora, usando cables auxiliaresen buen estado, conecte las baterías negativo a negativo y positivo apositivo.

Al igual que con el cargador de corriente constante, verifique lagravedad específica de la carga de la batería dos veces al día y retírelacuando esté completamente cargada.

Cargadores rápidos

Los cargadores rápidos darán a una batería una carga alta en un cortotiempo, generalmente en no más de una hora. Los cargadores rápidosson portátiles a diferencia de los cargadores lentos que usualmente sonde montaje de pared, o se hallan fijos en un banco de trabajo. Loscargadores portátiles rápidos pueden cargar una batería mientras está enla máquina. Generalmente, en un cargador rápido sólo puede cargarseuna batería a la vez. Muchos cargadores rápidos modernos tienentambién 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 formarápida. Con el tiempo, el electrolito de la batería se descolora por laformación de sedimento. Durante una carga rápida el sedimento se agitay puede quedar atrapado entre las placas y causar un cortocircuito.Verifique con el hidrómetro el color del electrolito durante la carga y siel sedimento comienza a aparecer, disminuya el valor de carga.


Procedimiento correcto de carga de la batería

Antes de conectar baterías convencionales a un cargador, asegúrese deque la superficie de la batería esté limpia y tenga el nivel adecuado deelectrolito.

Todos los cargadores, lentos o rápidos, necesitan una fuente de corrientealterna de 110 voltios.

Asegúrese siempre de que el cargador esté desconectado antes deconectarlo 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 uncargador lento de voltaje constante ajuste el voltaje para adaptarse alnúmero de voltios de las baterías en carga. En un cargador de corrienteconstante, ajuste el voltaje a 6 ó 12 voltios, dependiendo de la batería encarga.

Revise los procedimientos de carga de una batería en la InstrucciónEspecial "Procedimientos de prueba de las baterías" (SEHS7633).

Tiempo de carga

Cuando una batería está en carga lenta, revise la gravedad específica dosveces 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 haalcanzado la carga completa. Ajuste el tiempo de carga rápida a no másde una hora. Revise que la batería no esté recalentada.

Siempre apague el cargador antes de desconectar la batería para evitarcualquier chispa que accidentalmente pueda encender los gasesexplosivos de hidrógeno que se forman durante la carga. Nunca cargueuna batería en un lugar donde haya algún peligro de chispa, como áreasdonde se realicen trabajos de soldadura o pulimento.

Carga de las baterías libres de mantenimiento

Las baterías libres de mantenimiento se cargan utilizando equipoconvencional de carga de baterías. Los valores de carga rápida y lentaen las baterías libres de mantenimiento son más bajas y los tiempos decarga proporcionalmente más prolongados.

Revise con los estudiantes la Instrucción Especial "Valores de cargade la batería/Tablas de tiempo" (SEHS9014).


Fig. 4.1.12 Cables auxiliares de arranque

Cables auxiliares de arranque

Cuando no hay un cargador disponible, una práctica común para arrancar unvehículo con batería muerta es usar cables auxiliares de arranque y unabatería de refuerzo. Antes de conectar los cables auxiliares de arranque,asegúrese de que todos los accesorios eléctricos tales como luces, radio ylimpiaparabrisas 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, ocablee una batería de 12 voltios con una segunda batería de 12 voltios. Estoes importante, debido a que existe el peligro de formar arco (voltaico)cuando se conectan los cables auxiliares de arranque, lo que podría causaruna explosión de la batería.

En sistemas de arranque de equipos para trabajo pesado que usan 2 bateríasde 12 voltios en serie para proveer 24 voltios para el arranque, debentomarse precauciones especiales para evitar daños en los componenteseléctricos mientras usa los cables auxiliares de arranque. Revise lasrecomendaciones del Manual de Servicio antes de intentar arrancar unamáquina con cables auxiliares de este tipo de batería. Usted necesitará dosjuegos de cables auxiliares de arranque y dos baterías de 12 voltios.

Identifique la polaridad correcta antes de conectar los cables auxiliares dearranque. Conecte los cables auxiliares de arranque, negativo con negativo ypositivo con positivo (ya que usted está reemplazando la fuente de energíaexistente). Conecte los cables auxiliares de arranque en el siguiente orden:

1. Conecte una pinza del cable al terminal positivo de la bateríamuerta

2. Conecte el otro extremo al terminal positivo de la batería derefuerzo

3. Conecte la segunda pinza al terminal negativo de la batería derefuerzo

4. Entonces, conecte el otro extremo al bloque del motor del vehículocon la batería muerta.


Cuando quite los cables auxiliares, invierta el procedimiento deconexión y mantenga las pinzas separadas hasta que hayan sidodesconectadas 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 de1990 .

Mantenimiento de la batería

La batería es el corazón del sistema eléctrico. No se pueden realizarpruebas exactas en cualquier parte del sistema eléctrico, a menos que labatería 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 lasbaterías" Mayo 1 de 1989.

Pruebas de las baterías

Se deben realizar pruebas a la batería para determinar sufuncionamiento. 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 comparadocon el peso del agua. Cuando usted realiza una prueba de gravedadespecífica de la batería, determina su estado de carga, basado en elporcentaje de ácido en el agua del electrolito. La concentración delelectrolito varía directamente con el estado de carga de cada celda. Amayor gravedad específica, mayor capacidad de la batería para producirun potencial eléctrico. Las pruebas de gravedad específica se realizanusando un hidrómetro.


Fig. 4.1.13 Hidrómetro

Los hidrómetros se calibran para medir correctamente la gravedadespecífica de un electrolito a una temperatura de 27°C (80°F). Paradeterminar una lectura corregida de la gravedad específica cuando latemperatura del electrolito es diferente a 27°C (80°F) se deben sumar a lalectura 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). Estocompensa la expansión y la contracción del electrolito por arriba o pordebajo de la norma.

La gravedad específica de cada celda de batería debe medirse usando elhidrómetro. Si se ha agregado agua recientemente a la batería, elhidrómetro no dará una lectura muy precisa del estado de carga de labatería. Cargue la batería lo suficiente para asegurar una completa mezcladel agua y el electrolito y entonces pruebe las celdas de la batería con elhidrómetro.

La gravedad específica de la carga completa varía en los diferentes tiposde baterías. Algunas lecturas típicas son las siguientes:

Estado de carga Gravedad específica

100% 1,28075% 1,25050% 1,22025% 1,1900% 1,130

El electrolito debe estar claro. Un color marrón opaco indica que elmaterial de la placa se está descomponiendo y que la batería estáfallando.

Cuando la lectura de la gravedad específica está por debajo de 1,250(después de la corrección por temperatura), la batería puede estar encondiciones satisfactorias pero su estado de carga es bajo. Cargue labatería antes de realizar pruebas más a fondo.


Cuando la lectura de la gravedad específica es mayor a 1,280 (despuésde las correcciones por temperatura), la batería puede estar encondiciones 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 30y 50 puntos (0,030 a 0,050). Si la variación de las celdas excede estacantidad, se indica una condición poco satisfactoria. Esto puede debersea un consumo desigual de electrolito en las celdas, causado por undefecto interno, cortocircuito, activación inapropiada o deterioro por usoprolongado. Normalmente la batería debe reemplazarse. Sin embargo,una batería no puede descartarse basado únicamente en la lectura de lagravedad 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 labatería 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 esvisible, la carga de la batería y el nivel de fluido están dentro de lagama. En algunas ocasiones, después de arranques prolongados, el puntoverde puede aun permanecer visible, pero la batería no tiene suficientepotencia 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, locual indica un nivel bajo de electrolito. En este caso la batería no debeprobarse, o ser cargada o iniciada con cables auxiliares porque existeuna posibilidad alta de que la batería pueda explotar.


Usando un voltímetro digital, verifique el voltaje de la batería en losbornes de la batería. Si el voltaje de la batería está por debajo de 12,0voltios, cargue la batería.

Use un probador de carga de batería para quitar la carga superficial de labatería. Ajuste el probador de carga a 50% del amperaje de arranque enfrío de la batería (CCA) por cinco segundos. Deje pasar cinco minutosantes de hacer la prueba.

Verifique el voltaje de la batería en los terminales de la batería. Elvoltaje 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 (locual indica una carga por debajo de 75%), cargue la batería y realice laprueba de nuevo.

Distribuya copias del artículo de la Información Técnica "Las bateríaslibres de mantenimiento requieren diferentes procedimientos paralocalización y solución de problemas". Junio 20, 1988.


Fig. 4.1.14 Probador de carga de la batería

Una prueba de carga es el mejor indicador del estado de la batería. Si elestado de carga es de 75% o mayor, se le puede hacer una prueba decarga (prueba de capacidad) a la batería. Sin embargo, si el estado decarga 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 probadorcomo se muestra en la figura 4.1.14. La perilla de control de cargadebe estar en posición “desconectada”.

2. Gire la perilla de control a la derecha hasta que la lectura delamperímetro sea la mitad del valor de arranque en frío de la batería oel especificado por el fabricante de la batería.

3. Mantenga la carga por 15 segundos; entonces, anote la lectura delvoltímetro 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 unabatería de 12 voltios, 4,8 V en una batería de 6 V, o es mayor, la bateríatiene buena capacidad de salida. No obstante, aunque la batería debapasar la prueba de carga, ésta puede requerir aun alguna carga paralograr 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 alcance27°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 libresde mantenimiento para indicar el estado de carga si la batería no tiene unindicador de estado de carga. Para realizar esta prueba, la batería no debehaber sido descargada totalmente o cargada recientemente.


Lección 2: Sistema de Carga

Lecc

ión

2:S

iste

ma

de C

arga

Introducción

El sistema de carga convierte la energía mecánica del motor enenergía eléctrica para cargar la batería y suministrar corriente paraoperar los sistemas eléctricos de la máquina. Esta lección explica elsistema de carga y describe sus componentes. También se verán laspruebas del sistema de carga.

Objetivos


Demostrar que conoce la operación del sistema de cargaseleccionando las respuestas correctas a las preguntas realizadas enun examen de escogencia múltiple.

Dados un equipo de capacitación o una máquina y las herramientasapropiadas, hacer las pruebas al circuito de carga y respondercorrectamente las preguntas de la práctica correspondiente.

Dados un alternador y un multímetro digital, hacer las pruebas a loscomponentes eléctricos del alternador en el banco de pruebas yresponder correctamente las preguntas de la práctica correspondiente.


¥ S istema d e Arranq ue

¥ Batería

¥ Sistem a de Carg a

Circuitos de carga CA y CC

El sistema de carga recarga la batería y produce la corriente durante laoperación. 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 elmodo 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 corrientemecánicamente 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 generadoresa valores seguros.

Los circuitos de carga CA incluyen un alternador y un regulador. Elalternador es realmente un generador de CA. Este produce corrientealterna al igual que el generador, pero rectifica la corriente usandodiodos. Los alternadores son generalmente más compactos que losgeneradores de igual salida y suministran una corriente más alta avelocidades bajas del motor.

El regulador de un circuito de carga de CA limita el voltaje delalternador a un nivel seguro determinado. La mayoría de los circuitos decarga modernos usan modelos transistorizados.

B AT E R IABA T E RI A

TI ER R A

IN T E RR U PT OR D E

L L A VE D E C ON T A CT O

A M P E RIM E T RO

RE GU L AD O R

CIRC UITO D E CA RG A CC CIR CU IT O DE C AR GA C A

A L T E RN A DO R

GE N E RA D OR

R E GU L AD OR

T IE R R A

AM PE R IM E T R O

Fig. 4.2.1 Circuitos de carga


Operación de los circuitos de carga

Los circuitos de carga operan en tres estados:

- Durante el arranque de la batería, suministran toda la corriente decarga.

- Durante operaciones máximas, la batería ayuda al generador (oalternador) a suministrar corriente.

- Durante la operación normal, el generador (o alternador) suministratoda la corriente y recarga la batería.

En ambos circuitos de carga, la batería inicia el circuito al suministrar lacorriente al motor de arranque para arrancar el motor (figura 4.2.2,diagrama superior). El motor impulsa el generador (o alternador), el cualproduce la corriente de las operaciones de encendido, luces y cargasaccesorias del sistema total.

El diagrama del centro de la figura 4.2.2 muestra que la batería tambiénsuministra corriente durante la operación máxima, cuando las cargaseléctricas son muy altas para el generador (o alternador).

Una vez que el motor arranca, el generador (o alternador) provee lacorriente a los sistemas eléctricos de la máquina (figura 4.2.2, diagramainferior). El generador suministra la corriente todo el tiempo que elmotor esté funcionando por encima de la velocidad en vacío. Cuando elmotor está a la velocidad en vacío o parado, la batería asume parte de lacarga o toda la carga. Sin embargo, el alternador continuarásuministrando corriente durante el funcionamiento del motor envelocidad en vacío.

B AT ER IA C ARG A

AL TER N ADO R

A L T

+ R

BA TE RIA CA R GA

A LT ER NA DO R

A L T

+ R

BA TE RIA C ARG A

A LT ER NA DO R

A L T

+ R

Fig. 4.2.2 Circuito de carga en operación


Generadores

Se verán brevemente los generadores en los circuitos de carga de CC. Elgenerador se encuentra en algunas máquinas antiguas. Para dar servicioa estas máquinas, usted debe tener conocimiento de cómo funciona elsistema de carga básico. La mayor parte de esta lección se enfocará enlos circuitos de carga de CA, los cuales han reemplazado los circuitos decarga de CC en las máquinas de modelos más recientes.

El generador produce energía eléctrica usando inducciónelectromagnética. La inducción electromagnética se usa para generarelectricidad en el sistema de carga. La inducción electromagnéticaocurre cuando hay un movimiento relativo entre un conductor y uncampo magnético. A medida que el conductor se corta a través delcampo, se induce un voltaje en el conductor. Este voltaje causa un flujode corriente si el conductor está conectado al circuito. La salida dependede la fuerza del campo magnético, de la velocidad a la que el campomagnético 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, seproduce un voltaje. Los extremos del bucle del inducido se conectan aun anillo de dos piezas llamado conmutador. Las escobillas tocan elconmutador y los cables conectan las escobillas a la carga. La corrientefluirá ya que el circuito se completa. Para asegurar una corriente fuerte yun flujo apropiado, los cables se enrollan alrededor de los polosmagnéticos y se conectan a las escobillas. El cableado se llama circuitode campo del generador.

CIRCUITO

DE CAMPO

CIRCUITO

DE CAMPO

Fig. 4.2.3 Generador básico


B

B

ANSS N

A

PRIMERA MITAD DE LA

REVO LUCION

SEG UNDA MITAD DE LA

REVO LUCION

Fig. 4.2.4 Cambio de la polaridad

ESPACIOS ENTRE

LAS DOS MITADES DEL CONMUTADO R

E N EL “PUNTO NEUTRAL” ESTATICONO SE GENERA VOLTAJE

Fig. 4.2.5 El generador convierte CA en CC

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

En este punto, el generador básico produce una corriente alterna, debidoa que el inducido invierte la polaridad de la corriente y cambia ladirección del flujo de corriente en cada lado del bucle a medida que éstegira.

Durante la primera mitad de la revolución, la parte superior del lado Adel inducido corta primero el campo magnético, mientras que la parteinferior del lado Blo sigue. La corriente fluye hacia el lado A y sale dellado 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 Bes el borde que va primero, mientras que la parte inferior del lado A lasigue. Ahora B es "-" mientras que A es "+". El extremo del bucle delinducido invierte la polaridad durante cada revolución y el resultado esuna corriente alterna.


Fig. 4.2.6 Regulador de voltaje

Los sistemas de corriente continua automáticamente proveen máscorriente de campo a medida que aumenta la salida del generador. Esteaumento de la corriente de campo producirá un aumento en la salida delgenerador. Si se deja sin regular la corriente, el aumento continuoresultará en niveles de corriente y voltaje quedañaránel generador, otroscircuitos eléctricos y la batería.

El generador no puede controlar la cantidad de voltaje que produce. Portanto, en el circuito de campo se usa una unidad externa llamadaregulador de voltaje. Este tiene una bobina en derivación y puntos decontacto para controlar la fuerza del campo magnético, que limitan deeste modo el voltaje generado.

Alternador

Un alternador opera según el mismo principio de un generador. Esteconvierte la energía mecánica en energía eléctrica. El alternador puedellamarse generador de CA. La diferencia entre el generador y elalternador está en el modo en que el alternador rectifica la corrientealterna a corriente continua. El alternador rectifica la corrienteelectrónicamente usando diodos.

Los alternadores son generalmente más compactos que los generadores ypueden suministrar una corriente más alta a velocidades bajas del motor.Como las máquinas de modelos recientes incluyen muchos accesorioseléctricos, el alternador puede proveer mejor la salida de corriente eneste aumento de cargas eléctricas.

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


En el alternador, el campo magnético gira dentro del bucle de cable. Estecampo magnético giratorio es generado por un rotor. El bucle de cableestacionario es el conductor.

Las líneas magnéticas de fuerza se mueven a través de los conductores einducen el flujo de corriente. Como los conductores son estacionarios,pueden conectarse directamente, sin el uso de escobillas. Esto reduce eldesgaste y el calor.

El voltaje se induce en un conductor cuando un campo magnético semueve a través del conductor. Por ejemplo, considere un imán en barracon su campo magnético que gira dentro de un bucle de cable. Con elimán que gira dentro del bucle de cable, y con el polo S del imándirectamente debajo de la parte superior del lazo y el polo Ndirectamente sobre la parte inferior del lazo, el voltaje inducido hará quela corriente fluya en el circuito en la dirección mostrada en la figura.Como la corriente fluye del positivo al negativo a través del circuitoexterno o carga, el extremo del bucle de cable marcado “A” será el depolaridad positiva y el extremo marcado “B” el de polaridad negativa.

Después de que el imán de barra se ha movido a través de unarevolución y media, el polo N se habrá movido directamente bajo laparte superior del conductor y el polo S directamente sobre la parteinferior del conductor. El voltaje inducido ahora hará que la corrientefluya en el sentido opuesto. El extremo del cable en lazo marcado “A”será ahora el de polaridad negativa, y el extremo marcado “B” el depolaridad positiva. La polaridad de los extremos del cable ha cambiado.Después de la segunda una revolución y media, el imán de barraregresará 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 alternaproducida por el alternador.

A

B

A

B

A

B

CIRCUITO

DE CARG A

CAMPO MAG NETICOG IRATORIO

CAMBIO

DE PO LARIDAD

Fig. 4.2.7 Operación del alternador básico


Cómo se induce el voltaje

Un imán de barra que gira dentro de un bucle de cable simple producemuy poca cantidad de voltaje y corriente. Cuando el bucle de cable y elimán se colocan dentro de un bastidor de hierro se crea un entrehierroconductor en las líneas de fuerzas magnéticas. Como el hierro conduceel magnetismo fácilmente, al añadir el bastidor de hierro aumenta engran 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 líneasmagnéticas de fuerza. Por tanto, existe un campo magnético fuerte en elcentro del imán y un campo magnético débil existe en los bordes deentrada y de salida. Esta condición resulta cuando el espacio de aireentre el imán y el bastidor de campo es más grande en los bordes deentrada y de salida que en el centro del imán.

La cantidad de voltaje inducido en un conductor es proporcional alnúmero de líneas de fuerza que cortan el conductor en un período dadode tiempo. El voltaje también aumentará si el imán de barra gira másrápido debido a las líneas de fuerza que cortan el cable en un período detiempo más corto.

El imán que gira en un alternador se llama rotor y el conjunto del buclede cable y el bastidor se llama estator.

R OT ORRO TO R

CO ND U CTO R

C AM PO

F UER TE

CA M P O

DEBIL

E N T RE H IE RR O DE

A L T A /B A JA

RE L U CT A NC IA

E NT R E HIE R R O D E

A L TA /B AJA

R E L UC T AN C IA

Fig. 4.2.8 Líneas magnéticas de fuerza


S

N

A1A B 1B C1C

VO

LT

AJE

DE

BU

CL

E

0° 120° 240° 360°

120° 120°90° 30°

UN CICLO

C 1

A 1B1

B

C

A

CA1

B1

A

C 1

B

Fig. 4.2.9 Voltaje de bucle

BA CB AC

VO

LT

AJE

DE

FA

SE

UN CICLO

AC1A1B

B1C

AC 1

B1C

A1B

Fig. 4.2.10 Voltaje de fase--Estator en estrella

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

En la figura 4.2.9 se ilustra cómo se produce voltaje de CA en unalternador básico cuando un bucle de cable simple actúa como undevanado de estator y un imán de barra actúa como rotor. Cuando otrosdos bucles de cable separados, espaciados 120 grados, se añaden anuestro alternador básico, se producen otros dos voltajes separados.

Con el polo S del rotor directamente debajo del conductor A, el voltajede A será máximo en magnitud y en polaridad positiva.

Después de que el rotor ha girado 120 grados, el polo S estarádirectamente debajo del conductor B y el voltaje de B será máximo ypositivo. Después de otros 120 grados, el voltaje de C será máximo ypositivo. Los voltajes positivos máximos de A, B y C en cada bucle decable ocurren cada 120 grados. Estos voltajes de lazo también semuestran en la figura 4.2.9.


Cuando los extremos de los bucles de cable marcados A1, B1 y C1 seconectan 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 lasuma de los voltajes de dos bucles de cable. Están disponibles tresvoltajes de CA espaciados 120 grados del estator Y.

En los devanados en estrella, cada uno de los devanados individuales seconecta al extremo de otro devanado (figura 4.2.10). Esto creaconexiones en paralelo en el estator en estrella que generalmentepermiten una salida de corriente más alta que en el estator con devanadoen “Y”. En el estator con devanado en “Y”, los devanados estánconectados para formar pares de conexiones en serie (figura 4.2.11). Lasconexiones en serie generalmente proveen voltajes más altos pero salidasde corriente más bajas que en los estatores con devanado en estrella.

Para aumentar la salida del alternador son necesarias algunasmodificaciones al modelo básico:

- aumento del número de conductores en cada uno de los devanadosde fase

- aumento de la fuerza de los campos magnéticos

- aumento de la velocidad de rotación

- generación de campos magnéticos.

A

B

C

A1B1C 1

A B

C

C 1A 1

B1

UN CICLO

VO

LT

AJE

DE

FA

SE

BA CB AC

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


A B

B1

A 1 C1

C

TIERRA

BATERIA

BAT

R

RECTIFICADO R

Fig. 4.2.12 Rectificación trifásica

Rectificación de la corriente

Aunque el alternador parece completo, la corriente generada aún esalterna. El sistema eléctrico requiere corriente continua. Para que lasalida del alternador sea útil, la corriente debe transformarse de CA aCC.

El dispositivo ideal para esta tarea es el diodo. Los principios defuncionamiento de los diodos se vieron en la unidad 3. El diodo escompacto, conduce la corriente sólo en un sentido y puede instalarsefácilmente en la caja del alternador.

Los diodos se usan normalmente en el alternador en dos grupos de tresdiodos. Como hay tres fases o devanados en el alternador, se requierentres diodos positivos y tres negativos. En los sistemas que requieren unasalida más alta, pueden necesitarse más diodos.

Una batería conectada al terminal de salida CC restablecerá su energía amedida que el alternador le provea corriente de carga. La acción debloqueo de los diodos evita que la batería se descargue directamente através del rectificador.


6 642

1 3 5

B A C B A C

A 1A B 1B C1C

8

8

16

8

VO

LT

AJE

DE

BU

CL

EV

OL

TA

JE

DE

FA

SE

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

A

B

A

B

BA BA

TIEMPO

CO

RR

IEN

TE

BA BA

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

Durante el período 1, el máximo voltaje inducido aparece en el terminalBA del estator. Esto significa que la corriente fluye de B a A en eldevanado del estator durante este período, y a través de los diodos, comose muestra en la figura 4.2.14.

Supongamos que el voltaje de fase máximo desarrollado de B a A es de16 voltios. Esto significa que el potencial en B es de 0 voltios y elpotencial en A es de 16 voltios. De manera semejante, de las curvas devoltaje, el voltaje de fase de C a B en este instante es de 8 voltiosnegativos. Esto significa que el potencial en C es de 8 voltios, ya que C aB, u 8 a cero, representa 8 voltios negativos. En este mismo instante, elvoltaje 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 semuestra en el rectificador.

Para propósitos de la explicación, en la figura 4.2.13 las tres curvas devoltaje de CA que provee el estator tipo “Y" se han dividido en seisperíodos. Cada período representa la sexta parte de una revolución de unrotor, o 60 grados.


El voltaje obtenido de la combinación estator- rectificador, cuando estánconectados a la batería, no es perfectamente plano pero sí es tanuniforme que la salida puede considerarse voltaje de CC sin variación.El voltaje se obtiene de las curvas de voltaje de fase, como se muestra enla figura 4.2.15.

CO

RR

IEN

TE

CC

BC BA

TIEMPO

CA CB AB AC BC

Fig. 4.2.15 Salida de corriente continua

8

6 642

1 3 5

BA CB A C16

VO

LT

AJ

ED

EF

AS

E

B

T IERRA

BATERIA

BAT

RRECTIFICADOR

A

CESTATO R

Fig. 4.2.16 Estator en estrella y voltaje de fase

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

Sólo dos de los diodos conducirán la corriente, ya que esos son losúnicos diodos en los que la corriente puede fluir en sentido directo. Losotros diodos no conducirán la corriente, debido a que están en polaridadinversa. Los voltajes que hay en el rectificador y la polarización de losdiodos determinan los sentidos del flujo de corriente. Esos voltajes estánrepresentados por las curvas de voltaje de fase, las cuales son los voltajesque aparecen en los diodos del rectificador. Siguiendo el mismoprocedimiento, se pueden determinar los flujos de corriente de losperíodos 2 al 6.


B

BATERIA

15A

C

1 6

O

8

1 6 O

8

Fig. 4.2.17 Fase "Y"

Fig. 4.2.18 Componentes del alternador

Diseño del alternador

Como se vio anteriormente, el campo magnético del alternador CA secrea por el conjunto del rotor que gira dentro del estator. Este rotorconsta de un eje de rotor, dos mitades de rotor con contactos quecrearánlos numerosos campos magnéticos, un conjunto de bobina y dos anilloscolectores.

Durante el período 1 (figura 4.2.17), el voltaje máximo desarrollado enel estator se halla en la fase BA. La corriente que fluye a través delrectificador es exactamente la misma que para el estator “Y”, ya que lospotenciales de voltaje de los diodos son idénticos. La diferencia entre elestator 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 principiohasta el final de un período, mientras que el estator en estrella conducela corriente a través de los tres.

La fase BA está en paralelo con la fase BC y CA. Como el voltaje de Ba A es 16, el voltaje de B a C a A también debe ser 16 porque seproducen 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 decorriente en los períodos 2 al 6.


Cuando la corriente pasa a través del conjunto de la bobina, se crea uncampo magnético en cada una de las piezas polares del rotor. Una seriede contactosse convertirán en el polo norte, mientras que otra parte seconvertirá en el polo sur.

Como loscontactos del rotor se sobrelapan unos a otros, muchos lazosde flujo individual se formarán entre los polos positivo y negativo delalternador. En vez de que uncampo magnético pase por cada devanadodurante una revolución del rotor, muchos campos pasarán a través de losdevanados, lo cual aumenta la salida del estator.

Como se debe suministrar corriente al rotor para crear el campomagnético, el conjunto de la bobina dentro de la pieza polar se conecta alos anillos colectores. Estos anillos colectores permiten que lasescobillas puedan usarse para suministrar corriente al campo enmovimiento. Los anillos colectores son presionados en el eje y aisladosde él. Los conductores de la bobina son soldados a los anillos colectorespara formar un circuito completo que está aislado del eje.

Debido a que el rotor estará girando a gran velocidad, el rotor debeapoyarse en cojinetes. El extremo delantero del eje tiene un cojinetemontado en el conjunto de la caja de mando (figura 4.2.18). Observe laadición de espaciadores para colocar el rotor en la posición correcta unavez que se arma el alternador, lo que impide que el ventilador golpee lacaja.

Debido a que al generarse electricidad se produce calor, para elenfriamiento se incluye un ventilador que provee un flujo de aire através del conjunto. Se conecta una polea al extremo del eje del rotor, yse acciona por una correa.


Fig. 4.2.19 Componentes del alternador

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

Fig. 4.2.20 Regulador electromecánico

Regulación de la salida del alternador

Si se permitiera que el alternador opere sin control, produciría voltajesaltos imposibles de usar en las máquinas, debido a los daños producidosde los componentes. El regulador controla la salida del alternador.

El límite de salida de la corriente depende del diseño del alternador y seindica en la caja como la corriente máxima. Por ejemplo, una caja puedetener una etiqueta que la clasifique como de 12V 85A. Esto indica quela salida máxima del alternador es de 85 amperios y está diseñado paraun sistema de 12 voltios.

El conjunto del estator es un anillo de hierro blando, laminado, con tresgrupos de bobinas o devanados. Un extremo de cada devanado delestator se conecta a un diodo positivo y a uno negativo. Los otrosextremos de los devanados del estator pueden conectarse ya sea enconfiguración de estator tipo “Y” o en configuración de estator enestrella.

El conjunto del rectificador convierte la corriente alterna en corrientecontinua. Se montan tres diodos positivos y tres diodos negativos en elconjunto del rectificador.

El alternador está diseñado para proveer el mínimo de espacio libre entreel rotor y el estator y maximizar así los efectos del campo magnético.Este es un conjunto compacto capaz de generar alto flujo de corrientepara satisfacer las necesidades del sistema eléctrico.

Las escobillas están en contacto con los anillos colectores de cobre yproveer la corriente necesaria para la producción de los camposmagnéticos en el rotor. Como es importante un buen contacto para unabuena conductividad, las escobillas son mantenidas contra los anilloscolectores por pequeños resortes.

Generalmente, hay dos escobillas contenidas en un conjunto deportaescobillas. Este conjunto puede fácilmente sujetarse a la cajaextrema de los anillos colectores terminales del alternador.


El circuito de regulación controla la salida de voltaje del alternador, alcambiar la fuerza del campo magnético producido por el rotor. Esto sehace controlando la cantidad de flujo de corriente a través de lasescobillas de la bobina del rotor.

El regulador es sensitivo al voltaje de la batería y por consiguiente a lacarga eléctrica existente en el sistema. El regulador puede entoncesajustar la cantidad de corriente al rotor para satisfacer la demanda.

Si el voltaje de la batería es bajo y la demanda de los accesorioseléctricos alta, el regulador de voltaje aumentará la salida del alternadorpara cargar la batería y proveer suficiente corriente para operar losaccesorios. Cuando el voltaje de la batería es alto y las demandaseléctricas bajas, el regulador de voltaje disminuirá la salida delalternador.

Hay tres diseños de reguladores del alternador:

- electromecánicos (máquinas antiguas)

- reguladores externos electrónicos

- reguladores integrales electrónicos

En algunos sistemas antiguos se pueden encontrar reguladoreselectromecánicos. Estos reguladores usan relés para operar los puntos decontacto. El regulador de voltaje de contacto doble controla la salida delalternador al regular la cantidad del flujo de corriente al rotor. Al reducirel flujo de corriente se reducirá la fuerza del campo magnético yresultará una salida más baja del estator. Esta lección se enfocará en losreguladores electrónicos, encontrados en la mayoría de las máquinasactuales.


Reguladores electrónicos de voltaje

Los reguladores electrónicos de voltaje realizan la misma función de losreguladores electromecánicos. En el regulador electrónico el circuito decampo se conecta y se desconecta por acción de circuitos electrónicos, alcontrolar los transistores de conexión/desconexión. Estos dispositivoselectrónicos pueden conectarse/desconectarse más rápidamente ytransportan más corriente que los puntos de contactode los reguladoreselectromecánicos. Pueden obtenerse salidas más altas del alternadordebido al mayor flujo de corriente a través de los circuitos de campo.

Los reguladores electrónicos usan diodos Zener como parte del circuitosensor de voltaje. Estos diodos especiales permiten que la corriente fluyaa la inversa del flujo normal cuando se alcanza un voltaje específico através del diodo. Cuando la corriente fluye hacia atrás, a través del diodoZener, el transistor de campo se desconecta y el flujo de corriente sedetiene en el rotor de campo. Los componentes electrónicos puedenconectarse y desconectarse varios miles de veces en un segundo, ysuministrar de este modo, un control más uniforme y exacto de la salidadel alternador.

La mayoría de los reguladores electrónicos no son ajustables. Si losreguladores no controlan exactamente la salida del alternador, debenreemplazarse.

Fig. 4.2.21 Regulador electrónico de voltaje


MOTOR DE

ARRANQUE

T R 2

B A T E R IA

INTERRUPTOR DE

LLAVE DE

CONTACTO

AL T E R NA D OR

T IE RR A

T E RM IN AL

DE L R E G UL A DO R

SA L ID A

D IOD O D E

DE S CA R GA

D E CA M PO

R7 R 8 R9

DIO D O

Z E N ERRt

T R 1

R3

R 2R 1

R5

R4

R EG U L AD OR

T R AN SI ST OR IZ A DO

C AM PO

DI ST RI B UID OR

L A M PA RA

IN DI CA DO R A

D E L A L T ER N AD OR

B O BI NA D E

E NC E ND I DO

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 elcircuito (figura 4.2.22). La corriente de la batería fluye al solenoide dearranque y al interruptor de llave de contacto, como lo muestran laslíneas rojas. El interruptor de llave de contacto dirige el flujo decorriente a la lámpara indicadora del alternador y al regulador.

A medida que la corriente fluye al regulador, diferentes valores devoltaje determinan la dirección de la corriente. El voltaje a través de losresistores R7 y R8 está por debajo del voltaje crítico del diodo Zener ovoltaje de rompimiento. Por tanto, el voltaje detectado en la base delTR2 es el mismo voltaje que en su emisor. La corriente no podrá fluir através de TR2 (como lo muestran las líneas azules).

De esta manera, la diferencia de voltaje en el circuito emisor-base deTR1 permite que la corriente fluya de su emisor a través de su base y sucolector. La corriente del colector entonces va a excitar el campo delalternador (línea roja vertical). Al mismo tiempo una pequeña cantidadde flujo de corriente pasa a la tierra del alternador, como lo muestra lalínea roja punteada.


MOTOR DE

ARRANQUE

T R 2

B A T E R IA

INTERRUPTOR DE

LLAVE DE

CONTACTO

AL T E R NA D OR

T IE RR A

T E R M IN A L

D E L R E GUL A D OR

SA L ID A

D IOD O DE

DE SC AR GA

DE CA M PO

R7 R 8 R 9

D IOD O

Z EN E RR t

T R 1

R3

R2R 1

R5

R4

R E GU L AD OR

CA M P O

DI ST RI B UID OR

L A M PA RA

IN DI CA DO R A

D E L A L T ER N AD OR

B O B INA

Fig. 4.2.23 Operación del regulador--Transistor TRI conectado

MOTOR DE

ARRANQUE

T R 2

B A T E R IA

INTERRUPTOR DE

LLAVE DE

CONTACTO

AL T E R NA D OR

T IE RR A

RE GU L AT O R

T E RM IN AL

SA L ID A

DIO DO DE

DE S CA RG A

D E CA M PO

R7 R 8 R9

D IO DO

Z E N ERR t

T R 1

R 3

R2R 1

R5

R4

RE GU L A DO R

C AM PO

DI ST RI B UID OR

B O B INA

Fig. 4.2.24 Operación del regulador--Transistor TR2 conectado

A medida que opera el motor y los requerimientos de carga comienzan adisminuir, se produce voltaje en el alternador (figura 4.2.24). Esto hace queel voltaje a través de los resistores también aumente. Entonces el voltaje enR7 y R8 aumenta a un valor mayor que el voltaje crítico del diodo Zener. Eldiodo Zener inmediatamente “se rompe”, para permitir que la corrientefluya en la dirección inversa. Esto “conecta” el transistor TR2 y así lacorriente 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 esigual o mayor que en su emisor. Esto impide que la corriente fluya a travésde TR1 al campo del alternador, el cual colapsa el campo reduciendo lasalida del alternador y protegiendo el circuito.

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 enque, a medida que aumenta la velocidad del motor, el campo delalternador alrededor del rotor genera un voltaje para suplir las cargaseléctricas.

Sin embargo, los valores de voltaje son los mismos y el transistor TR1aunconduce la corriente al campo del alternador como lo muestra lalínea roja vertical.


Fig. 4.2.25 Regulador interno

Reguladores internos electrónicos

Los reguladores internos del alternador se montan ya sea dentro o fuerade la caja del extremo de los anillos colectores del alternador. Este tipode regulador elimina los mazos de cables entre el alternador y elregulador, lo que simplifica el sistema. Este tipo de reguladorusualmente es mucho más pequeño que los otros tipos, y usa circuitoselectrónicos conocidos como circuitos integrados o "CI". Los CI son deelectrónica miniaturizada con casi todos los circuitos en un pequeñochip. Los reguladores integrales realizan la misma función que losreguladores electrónicos externos y lo hacen del mismo modo.

Algunos alternadores con reguladores integrales tienen sólo un cable deentrada. Este cable es la salida del alternador. El circuito a tierra secompleta a través de la caja al bloque del motor. El estator proveecorriente al regulador integral a través de un triodo. El alternador iniciala carga usando la pequeña cantidad de magnetismo permanente delrotor, pequeña cantidad que es retroalimentada al campo, lo que aumentala salida. Este proceso continúa hasta que se alcanza la salida completa,determinada por el regulador.

El voltaje del sistema cae por debajo del voltaje crítico del diodo Zener ydetiene la conducción desconecta el TR2 y conecta el TR1. La corrientefluye de nuevo al campo del alternador. Esta operación se repite muchasveces en un segundo. En efecto, los dos transistores actúan comointerruptores que controlan el voltaje y la salida del alternador.

Cuando se desconecta el TR1, la corriente de campo del alternador nopuede caer inmediatamente a cero, debido a que los devanados del rotorpermiten que la corriente continúe fluyendo. Después de que la corrientealcanza cero, el voltaje del sistema y el regulador comienzan el flujo decorriente nuevamente. Sin embargo, el flujo de corriente de campo quedisminuye induce un alto voltaje que puede dañar el transistor.

El diodo de descarga de campo de la figura 4.2.24 previene daños altransistor TR1, al derivar el voltaje alto del transistor.


R OT OR

(C A M PO )

B A T E RIAB AT .

L A M PA R A

IN DIC A DO RA

IN T ER RU PT O R

RE S IST O R

R2

R 3 C 1

R 1

R 4

T R 2

T R1

E ST A T ORP UE N T E

R E CT IF ICA D OR

T RI OD O

Fig. 4.2.26 Campo del circuito “A”

LAMPARAINDICADORA

DEL ALTERNADOR

CAMPO

ESTATORDIODOS

TERMINALDEL REGULADOR

TERMINALDE CAMPO

TERMINALDESALIDA

INTERRUPTOR

DE LLAVE

DE CONTACTO

ALTERNADOR

DIODO DESEPARACION

TERMINALTRANSISTORIZADO

TR2

Fig. 4.2.27 Campo del circuito “B”

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

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 escobillasseparadas en el alternador. Una escobilla va conectada directamente a labatería, mientras que la otra escobilla está conectada a tierra con elregulador y el interruptor o relé de encendido en serie. El regulador estáubicado antes del campo, entre la tierra del campo y el alternador odiodos negativos. La salida completa del alternador se obtiene llevando atierra los devanados de campo. Algunos alternadores tienen una oreja enun agujero de prueba, de modo que el campo se conecta a tierracolocando un destornillador y uniendo el extremo de la oreja y elbastidor del alternador. Este tipo de circuito se usa con reguladoresintegrales y con algunos reguladores electrónicos externos.


Indicadores de carga

Los indicadores de carga pueden ser un amperímetro, un voltímetro ouna luz indicadora de carga. Los amperímetros pueden instalarse enserie, si son de corriente plena, tipo derivación; o en paralelo, si elamperímetro es de tipo no derivación.

Los voltímetros se usan más comúnmente debido a que indican conmayor exactitud la operación del sistema. Pueden instalarse fácilmenteen paralelo con el sistema de carga, y proveen información tanto de laoperación 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 unentendimiento de cómo funciona el sistema. Si el conocimiento de laoperación es completo, usted puede determinar por lógica las fallas através de una inspección visual y de pruebas eléctricas.

La reparación de los sistemas puede requerir reemplazo o reparación dealguno de los elementos incluidos en el sistema, desde la batería hasta elalternador.

Todas las reparaciones deben comenzar con un estudio o revisión delManual de Servicio de la máquina en particular.

Fig. 4.2.28 Luz indicadora de carga

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


Cuando haga las pruebas al sistema eléctrico, un método sistemático leayudará a realizar reparaciones rápidas. Los sistemas de carga requieren elmismo método de localización y solución de problemas. El reemplazo depiezas sin adecuado método de localización y solución de problemas no esla manera aceptable de encontrar y reparar las fallas del sistema.

Verifique la queja

Determine exactamente cuál es la queja y verifique que la falla estéocurriendo. Algunos problemas comunes en los sistemas de carga son:

- la batería se descarga y el sistema de carga no está produciendo carga oproduce 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 sonaccionados por correa. Inspeccione las correas impulsoras en busca detensión, desgaste y daño, asegúrese de que están trabajando bien.Inspeccione las correas en busca de daños, revise las superficies internas yexternas y busque las partes agrietadas,desportilladas, vidriosaso faltantes.

Inspeccione la polea del alternador en busca de desgaste y cualquier otrapolea accionada por las correas. Las fallas prematuras de las correas sedeben frecuentemente a poleas desgastadas. Inspeccione la alineación detodas las poleas. Generalmente, la inspección visual mostrará que no estánen línea en forma correcta, pero puede necesitar verificarlo con un borderecto contra la polea.

Pruebe la correa para verificar la tensión apropiada. Cuando realice el ajustede las correas o verifique su tensión, asegúrese de no tensarlas demasiado ode dejarlas muy sueltas. Una tensión incorrecta puede ocasionar daños.


El ruido en la operación puede deberse a correas desgastadas, cojinetesdesgastados o a problemas internos, como fricción del rotor en el estator,hojas del ventilador que golpean el alternador o a diodos o a estatoresdefectuosos.

Los problemas mecánicos pueden corregirse reemplazando los componentesdefectuosos o reparándolos como sea necesario. Los problemas eléctricosexigen pruebas más detalladas.

Continúe la inspección realizando un servicio completo a la batería. Elservicio y las pruebas a la batería se vieron en la lección 1. El sistema decarga 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 puedahacer las reparaciones necesarias. Las fallas mecánicas pueden ubicarse porinspección o escuchando atentamente. En las fallas eléctricas se requierehacer pruebas para ubicar la causa.

Pruebas del sistema de carga

Las pruebas del sistema de carga de la máquina deben realizarse primeropara determinar si el alternador debe quitarse y probarse más a fondo. Laspruebas de la máquina incluyen:

Prueba de salida del alternador

Pruebas del regulador

Las pruebas en banco determinan si el alternador debe repararse oreemplazarse. 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 desalida del alternador/generador en el motor" Mayo 4, 1987.


Lección 3: Sistema de Arranque

Lecc

ión

3:S

iste

ma

de A

rran

que

Introducción

El sistema de arranque convierte la energía eléctrica de la batería enenergía mecánica para arrancar el motor. Esta lección explica y describelos componentes del sistema de arranque. También se verán las pruebasrealizadas al sistema de arranque.

Objetivos


Demostrar que conoce la operación del sistema de arranqueseleccionando las respuestas correctas en un examen deselección múltiple.

Dados un equipo de capacitación o una máquina y lasherramientas apropiadas, hacer las pruebas al circuito dearranque y responder correctamente las preguntas de la prácticaacerca de las pruebas realizadas.

Dados un motor de arranque y un multímetro digital, hacer laspruebas de los componentes eléctricos del motor de arranque enel banco de pruebas y responder correctamente las preguntas dela práctica acerca de las pruebas realizadas.


¥ Sistema d e Arran que

¥ Batería

¥ Sistem a de C arga

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 motorde 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 pequeñacantidad de corriente desde la batería hasta el solenoide y de regreso a labatería a través del circuito a tierra.

El solenoide cumple dos funciones: engrana el piñón con el volante ycierra el interruptor dentro del solenoide entre la batería y el motor dearranque, cerrando el circuito y permitiendo que la corriente fluya almotor de arranque.

El motor de arranque toma la energía eléctrica de la batería y laconvierte en energía mecánica giratoria para arrancar el motor. Elproceso es similar al de otros motores eléctricos. Todos los motoreseléctricos producen una fuerza de giro por acción de los camposmagnéticos dentro del motor.

Debido a que la batería es una pieza fundamental de todo el sistemaeléctrico, se trató con profundidad en la lección 1. En esta lecciónveremos los otros elementos del sistema de arranque comenzando con elmotor de arranque.

B A T E RIA

S OL E N OID E

( IN T E RR UPT O R DE L M OT O R)

IN TE R R UP TO R

D E L L A VE D E

CO NT A CT O

M OT OR D E

A R RA NQ U E

V OL A NT E

Fig. 4.3.1 Circuito de arranque básico


S

N

FL U JODE

C O RRI EN TE

Fig. 4.3.2 Fuerzas en una bobina

Motor de arranque

Antes de ver los principios de operación básica de los motores dearranque, 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 campomagnético que rodea el conductor en un sentido, determinado por elsentido del flujo de corriente.

Recuerde, si una corriente pasa a través de un conductor, se formará uncampo magnético. Un imán permanente tiene un campo magnético entrelos dos polos. Cuando un conductor que transporta corriente se coloca enun campo magnético permanente, se ejercerá una fuerza en el conductor,debido al campo magnético. Si el conductor se dispone en forma debucle y se coloca en el campo magnético, el resultado es el mismo. Si elflujo de corriente de la bobina está en sentido opuesto, un lado seráforzado hacia arriba, mientras el otro lado será forzado hacia abajo,produciendo en la bobina un efecto de torsión o par.


P IEZ AS P OL AR ES

C AM POM AGN ET IC O

Fig. 4.3.3 Piezas polares

DE VA NA DO D ECA M PO

Fig. 4.3.4 Devanado de campo

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

Principios del motor de arranque

Las piezas polares del conjunto del bastidor de campo puedencompararse con los extremos de un imán. El espacio entre los poloses el campo magnético.


Fig. 4.3.5 Bucle de 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 dospiezas polares y se pasa corriente a través del bucle, se crea uninducido simple. El campo magnético alrededor del bucle y el campoentre las piezas polares se repelen, lo que hace que el bucle gire.

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


Un conmutador y algunas escobillas se usan para mantener el motoreléctrico girando, al controlar la corriente que pasa a través del bucle decable. El conmutador sirve como una conexión eléctrica conmutableentre el bucle de cable y las escobillas. El conmutador tiene variossegmentos, aislados unos de otros.

Las escobillas se montan sobre el conmutador y se deslizan sobre él paratransportar la corriente de la batería a los bucles de cables que giran. Amedida que los bucles de cable giran lejos de las zapatas polares, lossegmentos del conmutador cambian las conexiones eléctricas entre lasescobillas y los bucles de cable. Esto invierte el campo magnéticoalrededor de los bucles de cable. El bucle de cable es empujadonuevamente y pasa a la otra pieza polar. El cambio constante deconexión eléctrica mantiene el motor girando. Se realiza una acción deempujar y jalar alternadamente, a medida que cada bucle se muevealrededor dentro de las piezas polares.

Para aumentar la potencia del motor y la uniformidad se usan variosbucles de cable y un conmutador con varios segmentos. Cada bucle decable se conecta a su propio segmento en el conmutador para proveerflujo de corriente a través de cada bucle de cable cuando las escobillastocan cada segmento. A medida que el motor gira, los bucles de cablecontribuyen al movimiento para producir una fuerza de giro continua yuniforme.

ES COB ILLAS

CONMUTADO R

Fig. 4.3.7 Inducido simple


Fig. 4.3.8 Inducido

Fig. 4.3.9 Devanados de campo

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

Un motor de arranque, a diferencia de un motor eléctrico, debe producirun par muy alto y alta velocidad relativa. Por tanto, es necesario unsistema que sostenga los bucles de cable y aumente la fuerza del campomagnético producido en cada bucle.

Un inducido del motor de arranque consta de un eje del inducido, unnúcleo del inducido, un conmutador y los devanados del inducido(bucles de cable). El eje del motor de arranque mantiene en su lugar elinducido, a medida que gira dentro de la caja del motor de arranque. Elconmutador se monta en un extremo del eje del inducido. El núcleo delinducido mantiene los devanados en su lugar. El núcleo está hecho dehierro para aumentar la fuerza del campo magnético producido por losdevanados.


Características del motor de arranque

Los motores de arranque son motores eléctricos de trabajo intermitente dealta capacidad, que se comportan con características específicas cuandoestán en operación:

Si se requieren para energizar ciertos componentes mecánicos (o carga), losmotores 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 quepermite baja resistencia y alto flujo de corriente.

La cantidad de par desarrollada por un motor eléctrico aumenta a medidaque aumentan los amperios que fluyen a través del motor eléctrico. Elmotor de arranque está diseñado para operar por cortos períodos de tiempocon carga extrema. El motor de arranque produce, para su tamaño, unapotencia muy alta.

La Fuerza Contraelectromotriz (CEMF) es la responsable de los cambios enlos flujos de corriente a medida que cambia la velocidad del motor dearranque. La CEMF aumenta la resistencia del flujo de corriente desde labatería, a través del motor de arranque, a medida que aumenta la velocidaddel motor de arranque. Esto ocurre, porque a medida que los conductoresdel inducido son forzados a girar, se cortan a través del campo magnéticocreado por los devanados de campo. Esto induce un contravoltaje en elinducido que actúa contra el voltaje de la batería, este contravoltaje aumentaa medida que la velocidad del inducido aumenta. Este contravoltaje actúacomo control de velocidad y evita el funcionamiento a velocidad libre alta.

Aunque la mayoría de los motores eléctricos tienen alguna forma dedispositivo de protección a la corriente del circuito, no la tienen la mayoríade los motores de arranque. Algunos motores de arranque tienen proteccióntérmica por medio de un interruptor termostático sensible al calor. Elinterruptor termostático se abre cuando la temperatura sube, debido a ungiro excesivo del motor de arranque, y se reajusta automáticamente cuandose enfría. Los motores de arranque se clasifican como motores de operaciónintermitente. Si fueran motores de operación continua, necesitarían tener eltamaño de un motor diesel. Debido al alto par que se necesita en un motorde arranque, durante la operación se produce una gran cantidad de calor. Laoperación prolongada del motor de arranque causará daño interno debido alalto calor producido. Todas las partes de un circuito eléctrico de un motorde arranque son muy pesadas para poder manejar el alto flujo de corrienteasociado con su funcionamiento.

Si cargas más altas requieren mayor potencia para operar, entonces cadamotor de arranque debe tener suficiente par, con el fin de proveer lavelocidad de giro necesaria para arrancar el motor. Esta potencia estárelacionada directamente con la fuerza del campo magnético, ya que lafuerza del campo es la que crea la potencia.


Como ya se describió, los motores de arranque tienen una parte estacionaria(devanado de campo) y una parte en rotación (el inducido). Los devanadosde campo y el inducido están generalmente conectados juntos, de modo quetoda la corriente que entra al motor pasa por el campo y el inducido. Este esel circuito del motor de arranque.

Las escobillas proveen un método de transporte de la corriente desde elcircuito externo (devanados de campo) al circuito interno (devanados delinducido).

Las escobillas están contenidas en los portaescobillas. Normalmente, lamitad de las escobillas están a tierra a un extremo del bastidor, y la otramitad están aisladas y conectadas a los devanados de campo.

Los campos de los motores de arranque pueden cablearse juntos en cuatrodiferentes 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) puedenproducir un par de salida inicial muy alto cuando se conectan por primeravez. Este par disminuye entonces a través de la operación debido a la fuerzacontraelectromotriz, la cual disminuye el flujo de corriente, ya que todos losdevanados están en serie.

Los motores compuestos tienen tres devanados en serie y un devanado enparalelo. Esto produce un par inicial bueno para el arranque y la ventaja dealgunos ajustes de carga debido al devanado en paralelo. Este tipo de motorde arranque también tiene la ventaja de controlar la velocidad debido alcampo en paralelo.

Los motores de arranque con devanados en paralelo proveen un flujo decorriente alta y par alto al dividir los devanados en serie en dos circuitos enparalelo.

Los motores de arranque en serie-paralelo combinan las ventajas tanto delos motores en serie como de los de paralelo.

COR R IENTE D E

LA BA TERIA

D EVA N AD OD E CA M PO

TIER RA S ZAP ATA

P OLA R

CO N M UT AD OR

D EV AN A DO DEC AM PO

ES C OBILLA

Fig. 4.3.10 Circuitos del motor de arranque


La mayoría de los motores de arranque tienen cuatro campos y cuatroescobillas. Los motores de arranque que producen un par muy altopueden tener hasta seis campos y seis escobillas, mientras que algunosmotores de arranque para trabajo liviano pueden tenersólo dos campos.

La mayoría de los motores de arranque para trabajo pesado no están atierra por medio de la caja del motor de arranque. Este tipo de motor dearranque está a tierra a través de un terminal aislado que debe conectarsea la tierra de la batería para que el motor de arranque funcione. Un cablea tierra para el solenoide y otros dispositivos eléctricos del motor debentambién conectarse al terminal a tierra del motor de arranque para teneruna operación eléctrica apropiada.


Fig. 4.3.11 Mando del motor de arranque

Hasta aquí hemos visto los componentes eléctricos del motor dearranque. Después de que la potencia eléctrica se transmite al motor dearranque, se necesitan algunos tipos de conexiones para poner estaenergía a trabajar. El mando del motor de arranque hace que se puedausar la energía mecánica producida por el motor de arranque.

Aunque el par producido por el motor de arranque es alto, no puedearrancar el motor directamente. Deben usarse otros medios para proveertanto la velocidad de giro adecuada como el par necesario para elarranque.

Para proveer el par adecuado para el arranque del motor, se modifica lavelocidad del motor de arranque mediante la relación entre el engranajedel piñón del motor de arranque y el volante del motor. Esta relaciónvaría entre 15:1 y 20:1. Por ejemplo, si el engranaje del mando delmotor de arranque tiene 10 dientes, la corona puede tener 200 paraproveer 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 elmotor arranca, el inducido se dañaría debido a la alta velocidadproducida cuando aumentan las rpm del motor. A velocidad muy alta, elinducido dañaría los devanados debido a la fuerza centrífuga.

El engranaje que conecta e impulsa el volante se llama engranaje depiñón. Del modo como se conecte el engranaje del piñón del motor dearranque con la corona del volante depende el tipo de mando usado.

Los engranajes de piñón del motor de arranque y su mecanismo demando pueden ser de dos tipos:

- mando de inercia- embrague de sobrevelocidad

Los mandos de inercia son accionados por una fuerza de giro cuando elinducido gira. Este tipo de mando se conecta después de que el motorcomienza a moverse. El manguito del mando tiene un tornillo enroscadode paso grueso conectado al mando, el cual se ajusta a la rosca dentrodel piñón.

A medida que el motor comienza a girar, la inercia creada en el mandohace que el piñón se mueva a través de la rosca hasta que se conecte conla corona del volante. Usted puede imaginar esta acción como cuandogira una tuerca pesada en un perno y viendo cómo cambia elmovimiento giratorio a movimiento lineal a medida que la tuerca semueve hacia arriba y hacia abajo.

Una desventaja de los motores de arranque por inercia es que el piñónno se conecta completamente antes de que el motor de arranquecomience a girar. Si el mando no se conecta con el volante, el motor dearranque girará a alta velocidad sin arrancar el motor y si el piñónarrastra, 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 demando de embrague. El mando de embrague de sobrevelocidad requiereuna palanca para mover el piñón al engrane con la corona del volante. Elpiñón se conecta con la corona del volante antes de que comience a girarel inducido.

Con este tipo de sistema de mando, debe usarse otro método para prevenirla sobrevelocidad del inducido. Una palanca empuja el mando hacia afuerapara desconectarlo, mientras que un embrague de sobrefuncionamientopreviene la sobrevelocidad.

El embrague de sobrefuncionamiento traba el piñón en un sentido y lodesconecta en el otro sentido. Esto permite que el engranaje de piñón gire lacorona del volante para el arranque. También permite que el engranaje delpiñón se desconecte del volante cuando el motor comienza a funcionar.

El embrague de sobrefuncionamiento consta de rodillos mantenidos en suposición por acción de resortes contra un embrague de rodillos. Esteembrague de rodillos tiene rampas cónicas que permiten que el rodillo trabeel piñón al eje durante el arranque.

El par pasa a través de la caja del embrague y se transfiere por los rodillosal engranaje del piñón. Cuando el motor arranca y la velocidad del piñón demando excede la velocidad del eje del inducido, los rodillos se empujanhacia abajo de las rampas y hacen que el piñón gire independientemente deleje del inducido. Una vez que el piñón de mando del motor de arranque sedesconecta del volante, y no hay tensión de resorte en operación, forzará alos rodillos a entrar en contacto con las rampas para quedar listos para lasiguiente secuencia de arranque. Hay varias tareas pesadas diseñadas paraeste mando.


R

C

S

B ST

OFF

O N

POS N EG

INT ER RU PT ORDE DESCO NE XION

B AT ERIAS

IN TE RRU PT ORD E LL AVE DE

CO NT AC TO

R EL E D EA RR AN QU E

MO T OR D EARR AN QU E

PO S N EG

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 delmotor de arranque y prevenir la operación durante algunas modalidades deoperación de la máquina, por razones de seguridad. El circuito eléctrico delmotor 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

Batería

La batería suministra toda la energía eléctrica que hace que el motor dearranque arrancar el motor. Es importante que la batería esté completamentecargada y en buenas condiciones si se desea que el motor de arranquefuncione con todo su potencial.

Conexiones

El flujo alto de corriente a través del motor de arranque requiere cables deltamaño adecuado que permitan una resistencia baja. En los circuitos enserie, cualquier resistencia extra en el circuito afectará la operación de lacarga, 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, almotor de arranque, mientras que en otros sistemas el cable irá directamentede la batería al motor de arranque.

Los cables a tierra deben tener el tamaño adecuado para manejar el flujo decorriente. Todos los conectores y las conexiones del sistema del motor dearranque deben tener la más baja resistencia posible.

Interruptor de llave de contacto

El interruptor de llave de contacto activa el motor de arranque al proveerenergía al relé de arranque desde la batería. Este puede operarsedirectamente con una llave o un botón, o en forma remota con una conexióndesde un control activado con llave. El interruptor de llave de contactopuede montarse en el conjunto del tablero de instrumentos o en la columnade la dirección.

Fig. 4.3.14 Interruptor de llave de contacto


Interruptor de seguridad en neutral o interruptor de seguridad delembrague

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

Algunos vehículos pueden utilizar un interruptor de seguridad delembrague que está abierto cuando el embrague se encuentra en laposición conectada, y cerrado cuando el operador tiene pisado el pedaldel embrague. Esto previene la operación del arranque cuando elembrague está conectado. Algunas transmisiones también usan uninterruptor de engranaje en neutral que previene la operación dearranque, a menos que la transmisión esté colocada en la posiciónneutral. Todos los interruptores de seguridad deben mantenerse enbuenas 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 algunossistemas de arranque. Está ubicado entre el interruptor de llave decontacto y el solenoide de arranque. Es un interruptor magnéticoactivado por la energía suministrada por la batería a través del interruptorde llave de contacto. Los relés generalmente están ubicados lo más cercaposible entre el motor de arranque y la batería.

El relé del motor de arranque usa una corriente pequeña desde elinterruptor de llave de contacto para controlar la corriente alta alsolenoide de arranque, el cual reduce la carga en el interruptor de llavede contacto. Energizando los devanados del relé, hará que el émbolo seaempujado hacia arriba debido al magnetismo causado por el flujo decorriente a través de los devanados. Los discos de contacto tambiénserán empujados hacia arriba y harán contacto con la batería y losextremos de los terminales del motor de arranque. La corriente fluirádesde la batería al solenoide de arranque.

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). Elsolenoide del motor de arranque produce un campo magnético queempuja el émbolo del solenoide y el disco dentro de los devanados de labobina, lo cual completa el circuito del sistema de arranque. El solenoidese monta en el motor de arranque de modo que el varillaje puedaconectarse al mando del embrague de sobrefuncionamiento para conectarel mando.

Para una operación eficaz los solenoides contienen dos devanadosdiferentes. Cuando el interruptor de encendido se gira a la posición dearranque, la corriente desde la batería fluye a través de los devanados detomacorriente y del devanado de retención de corriente. Estos devanadoscontienen muchas bobinas de cables, y producen un campo magnéticofuerte para empujar el émbolo pesado hacia adelante y conectar elmando 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 lacorriente fluya al motor de arranque desde la batería. Esto también sirvepara desconectar los devanados de tomacorriente del circuito y permiteque la corriente fluya a través de los devanados de retención de corrienteúnicamente. Sólo se requiere el campo magnético débil creado por losdevanados de retención de corriente para mantener el émbolo enposición. Esto reduce la cantidad de control de corriente requerida,elimina el calor producido y suministra más corriente al motor dearranque.


INDUCIDO DEVANADO DE CAM PO

ESCOBILLAS

ENGRANAJES DEREDUCCIO N

INTERRUPTO R DE LLAVE

DE CO NTACTO

BATERIA

SOLENOIDE

DEVANADO DELTO MACORRIENTE

PIÑO N

DEVANADODE RETENCIONEMBRAG UE DE

SOBREFUNCIONAM IENTO

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

INDUCIDO

ESCO BILLAS

INTERRUPTOR DE LLAVE

DE CONTACTO

BATERIA

SO LENOIDE

DEVANADO DE CAMPO

ENGRANAJES DEREDUCCION

DEVANADO DELTO MACO RRIENTE

PIÑO N

DEVANADODE RETENCIO N

EMBRAG UEDE SOBREFUNCIONAM IENTO

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

Cuando el émbolo es empujado hacia la izquierda, los contactos delsolenoide se cierran. En este punto, el piñón comienza a engranarse conla corona del volante, y los devanados del tomacorriente entran encortocircuito, lo cual hace que el flujo de corriente pase a través de loscontactos del solenoide a los devanados de campo, al inducido, y a lasescobillas y a tierra. La corriente aun fluye a través de los devanados deretención de corriente a tierra. El motor de arranque se energiza, el piñónconecta la corona del volante y el motor comienza a girar. En este puntoel émbolo se mantiene en posición adentro sólo por la fuerza magnéticade los devanados de retención de corriente.

El sistema de arranque opera como sigue:

Cuando el interruptor de encendido se cierra, la corriente de labatería fluye en dos direcciones. La corriente fluye desde la bateríahasta el interruptor de arranque y luego a los devanados de toma decorriente a los devanados de campo, el inducido, las escobillas y atierra.

La activación de los devanados de tomacorriente y los devanados deretención de corriente producen fuerza magnética. La fuerzamagnética empuja el émbolo hacia la izquierda, lo cual mueve elembrague de sobrefuncionamiento y el piñón hacia la corona delvolante.


INDUCIDO BOBINA DE CAMPO

ESCOBILLAS

MANDO DEL

MOTOR DE ARRANQUE

INTERRUPTO R

DE LLAVE

DE CONTACTO

BATERIA

SOLENO IDE

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

Tan pronto como el motor arranca, la corona del volante gira más rápidoque lo que gira el motor de arranque. El embrague de sobrefuncionamientorompe la conexión mecánica entre el embrague y el motor de arranque.Cuando el interruptor de encendido se desconecta, el flujo de corriente através de los devanados de retención de corriente y los devanados de tomade corriente están en la misma dirección, lo cual causa que disminuya lafuerza magnética de los devanados de retención de corriente. Los contactosdel solenoide están abiertos. El émbolo y el embrague desobrefuncionamiento son llevados hacia atrás a su posición original poracción de la fuerza de retorno del resorte. El inducido paray el motor seDESCONECTA.

Sistemas en serie-paralelo

Las máquinas con motores diesel más grandes requieren motores dearranque que produzcan más potencia para proveer una adecuada velocidadde giro al motor. Para alcanzar esto, en algunos motores se usa un motor dearranque de 24 voltios. El usar 24 voltios permite que el motor de arranqueproduzca la misma potencia con menos flujo de corriente.

En un sistema en serie-paralelo el motor de arranque opera con 24 voltiospero el resto del sistema eléctrico de la máquina opera con 12 voltios. Seusa un interruptor especial del circuito en serie-paralelo usa para conectardos 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 prefierenaccesorios de 12 voltios debido a que son menos costosos que las luces ylos accesorios de 24 voltios.

Sistemas eléctricos de 12/24 voltios

En otro sistema de este tipo, el motor de arranque se conecta en serie condos 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 comprensiónde cómo funciona el sistema. Si su conocimiento de la operación escompleto, usted puede determinar por lógica las posibles fallas a través deinspección visual y de las pruebas de sistema eléctrico.


curso cat u1l1 electricidad basica como funciona

Documents