Asignaturas:
- Introducción
- Núcleo atómico con electrones.
- flujo de electrones
- Corriente, voltaje y resistencia.
Introducción:
Todo técnico de automóviles, desde el ayudante hasta el especialista técnico, tiene que ocuparse de la electrónica. Además de la electrónica de los sistemas de confort y seguridad como la iluminación, el motor del limpiaparabrisas y el sistema ABS, encontramos electrónica en el control del sistema de gestión del motor y en forma de redes de comunicación (incluido el bus CAN). Cada vez más vehículos incorporan también una transmisión eléctrica. Cualquiera que quiera entender la electrónica debería empezar por lo básico. En este apartado comenzamos con una breve explicación de los electrones que circulan alrededor de un átomo y rápidamente pasamos a diagramas eléctricos donde se explican de forma práctica los conceptos básicos de la electrónica del vehículo.
Núcleo atómico con electrones:
Según el modelo atómico de Bohr, un átomo consta de un núcleo que contiene protones y neutrones, con electrones orbitando a su alrededor en varias capas. El átomo de cobre contiene 29 protones y 35 neutrones en su núcleo.
Los electrones se encuentran en cuatro capas. La distribución de los electrones en estas capas se llama configuración electrónica. Cada capa tiene un número máximo de lugares para electrones. La primera capa (K) tiene espacio para dos electrones, la segunda capa (L) para ocho, la tercera capa (M) para dieciocho y las otras capas para 32 electrones.
Los electrones de las tres capas internas son electrones enlazados. Los electrones de la capa exterior participan en enlaces y reacciones químicas y también se denominan "electrones de valencia". El átomo de cobre contiene un electrón de valencia. Estos electrones pueden moverse libremente y pasar a otro átomo. En el caso del alambre de cobre, las capas externas se superponen y el electrón individual puede moverse a través de la capa de su átomo vecino.
La donación del electrón de valencia es importante para este tema. El salto del electrón de un átomo a otro hace posible que el material conduzca. Materiales como el cobre, el oro y el aluminio tienen un electrón de valencia en la capa exterior. Por el contrario, los aislantes como el plástico, el vidrio y el aire no tienen electrón de valencia. Por lo tanto, este material tampoco es conductor.
Flujo de electrones:
En la siguiente imagen vemos una batería, una lámpara, el conductor (cable de cobre) y un interruptor. Dependiendo de la posición del interruptor, la corriente puede fluir o no a través del circuito. El rectángulo azul claro representa el conductor de cobre con los átomos de cobre (amarillo) y los electrones de valencia saltantes (verde).
- Interruptor abierto: los electrones circulan alrededor del átomo de cobre, pero no hay flujo de electrones a través del consumidor (la lámpara). La lámpara no está encendida;
- Interruptor cerrado: debido a que la batería crea una diferencia de voltaje, se produce un flujo de electrones de menos a más. La corriente fluye a través de la lámpara y se enciende debido al flujo de electrones y la diferencia de voltaje.
La corriente pasa de – (menos) a + (más). Esta es la dirección real del flujo. Solía pensarse que la corriente pasaría de más a menos, pero eso no es correcto. Aún así, por conveniencia, nos atenemos a esta teoría y la llamamos "dirección técnica del flujo". En lo que sigue mantendremos esta dirección técnica del flujo, suponiendo que el flujo discurra de más a menos.
Corriente, voltaje y resistencia:
En esta sección nos acercamos a los tres conceptos: corriente, voltaje y resistencia. Estos conceptos nos encontramos constantemente en la tecnología del automóvil. La corriente, el voltaje y la resistencia tienen cada uno su propia cantidad, unidad y símbolo.
- I = Corriente = Amperio (A)
- U = Voltaje = Voltio (V)
- R = Resistencia = Ohmios (Ω)
Actual: En la sección anterior vimos el flujo de electrones a través de un circuito. La cantidad de electrones que fluyen a través de una determinada sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo se llama corriente. La unidad de corriente es el amperio (A). Se alcanza una corriente de 1 A cuando 6,24 quintillones (6.240.000.000.000.000.000) de electrones han fluido a través de una sección transversal en un segundo. Cuantos más electrones fluyan en un período de tiempo determinado, mayor será la corriente.
Para tener una idea de cuánta energía necesitan los consumidores eléctricos en la tecnología del automóvil, a continuación se muestra una lista en la que se estima la corriente con una tensión de carga de 14 voltios:
- Motor de arranque de motor de gasolina: 40 – 80 A;
- Motor de arranque del motor diésel: 100 – 300 A;
- Bobina de encendido: 3 a 6 A, según tipo;
- Inyector de combustible del motor de gasolina: 4 – 6 A;
- Bomba de combustible eléctrica: 4 – 12 A, según presión y caudal;
- Ventilador de refrigeración eléctrico: 10 – 50 A;
- Lámpara H7 (luz de cruce halógena) de 55 Watt: 3,9 A;
- Lámpara de xenón de 35 vatios: 2,5 A;
- Lámparas LED (controladas por PWM y no mediante resistencia en serie): 0,6 – 1 A;
- Calefacción de luneta trasera: 10 – 15 A;
- Calefacción de asientos: 3 – 5 A por asiento;
- Radio de coche estándar sin ordenador de a bordo: ~5 A;
- Motor limpiaparabrisas: 2 -5 A según potencia;
- Motor ventilador interior: 2 – 30 A según velocidad;
- Dirección asistida eléctrica: 2 – 40 A, según potencia.
Tensión: El voltaje es la fuerza que hace que los electrones se muevan. El voltaje es una medida de la diferencia de fuerza entre los electrones en dos puntos. La tensión se mide en voltios, abreviada como V. En la técnica del automóvil trabajamos con una "tensión nominal" de 12 voltios. Esto significa que la batería y todos los consumidores eléctricos funcionan con 12 voltios. Sin embargo, en la práctica vemos que el voltaje nunca es exactamente de 12 voltios, sino que siempre es ligeramente menor, pero a menudo mayor. Además, el voltaje con propulsión eléctrica es muchas veces mayor. Los consumidores de un automóvil consumen voltaje. Tomemos como ejemplo la calefacción de la luneta trasera: utiliza aproximadamente una corriente de 10 amperios con un voltaje de 14 voltios. El flujo se vuelve no se se consume y vuelve a la batería. La tensión de 14 voltios se utiliza en la calefacción de la luneta trasera para calentar. Al final (el lado de tierra) todavía quedan 0 voltios.
Para conocer mejor los posibles niveles de voltaje en un turismo, aquí tienes una breve lista de voltajes que podemos encontrar:
- Tensión de la batería: 11 – 14,8 v (batería casi vacía hasta la tensión máxima de carga del alternador);
- Tensión de apertura del inyector piezoeléctrico: brevemente 60 – 200 voltios;
- Tensión del sistema de un vehículo con propulsión eléctrica (híbrido o BEV): 200 – 800 voltios.
Puesto de trabajo: Cada componente eléctrico tiene una resistencia interna. Este valor de resistencia determina cuánta corriente fluirá. Cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente. La resistencia tiene la letra R y la unidad Ohm. Como unidad utilizamos el signo omega del alfabeto griego: Ω. Podemos usar uno en un circuito eléctrico. resistencia adicional añadir para limitar la corriente.
Cuando se produce un cortocircuito, por ejemplo cuando un cable positivo toca la carrocería, la resistencia es muy baja. La corriente aumenta inmediatamente hasta que se funde un fusible para evitar daños. En el siguiente listado vemos cuánta resistencia tienen los componentes que encontramos en la tecnología de automoción:
- Hilo de cobre de 2 metros de longitud y sección de 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lámpara (bombilla de 21 vatios): 1,25 Ω;
- Inyector de combustible para motor de gasolina (la variante de alta impedancia): 16 Ω;
- Sección de corriente de control de relé: ~ 60 Ω;
- Sección de potencia principal del relé: < 0,1 Ω.
La resistencia de un componente depende a menudo de la temperatura: por ejemplo, la resistencia de la lámpara cuando está encendida es mucho mayor que durante la medición cuando hace frío, en el que la corriente disminuye a medida que se calienta.
Resumido: La resistencia de un componente eléctrico determina cuánta corriente fluirá. Poca resistencia significa que fluirá mucha corriente. El voltaje suministrado (a menudo alrededor de 12 voltios) se consume en el componente eléctrico, lo que genera 0 voltios en el lado de tierra. No se consume energía, por lo que es tan alta en el lado positivo como en el lado de tierra.
Para comprender mejor los conceptos, a veces resulta útil fijarse en el ejemplo del barril de agua. El barril se llena de agua y se cierra por el fondo con un grifo. El voltaje y el flujo de agua a través del grifo que deja pasar una cierta cantidad de agua, dan una buena idea de lo que sucede con la electricidad en un consumidor con una resistencia interna.
Tensión:
Cuando el barril se llena de agua, la presión del agua en el grifo aumenta. La presión del agua se puede comparar con el concepto de voltaje en la electricidad. El sistema debe estar cerrado, de lo contrario el agua se drenará y ya no habrá presión de agua.
Actual:
Cuando abrimos el grifo, el agua empieza a 'fluir' por el grifo. El flujo de agua se puede comparar con el concepto de corriente en la electricidad.
Puesto de trabajo:
El grifo regula la resistencia al paso del flujo de agua. A medida que se abre más el grifo, la resistencia disminuye y la corriente aumenta.
Lo mismo ocurre con la electricidad. A mayor resistencia en el circuito eléctrico, hay menos corriente y viceversa. La resistencia no influye en la tensión.
