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Magnetismo y Electricidad

Ley de inducción: los cambios en el flujo magnético inducirán un voltaje en un conductor (generalmente una bobina), si esta es expuesta al flujo magnético. Esto también es valido para el campo electromagnético si cambia el suministro de voltaje. Si se mueve un conductor dentro de un campo magnético de manera que corte las líneas de flujo magnético, se induce un voltaje en este. El voltaje inducido existe sólo mientras se cortan las líneas de flujo magnéticas. Si la dirección de movimiento dentro del flujo magnético cambia, la dirección de la corriente también cambia. Debido al cambio en la dirección de la corriente, la corriente creada por este se llama corriente alterna. Lo mismo es valido si el campo magnético no proviene de un imán permanente, sino que es creado por un electro imán. En lugar de mover el electro imán hacia delante y atrás, también es posible conmutarlo entre OFF y ON, cambiando el flujo magnético, y creando de esa manera un voltaje. Básicamente cualquier conductor por el cual fluye corriente y que este rodeado por un campo magnético es un electro imán. Este campo puede aumentar si un cable es adoptado como una bobina, lo que aumenta aún más si se pone un núcleo de hierro a esta bobina. La ubicación del polo norte y del polo sur depende de la dirección de la corriente. De manera similar a un imán ordinario, el campo magnético es más fuerte en los extremos del núcleo de hierro de la bobina.


Nota: cuando se activa el flujo de corriente a través de una bobina, este flujo de corriente es retardado por lo que se conoce como auto inducción. La corriente que fluye crea un campo magnético en la bobina. El campo magnético entonces induce un voltaje en la bobina que tiene dirección opuesta al suministro de corriente, la que entonces es retardada. Un efecto similar ocurre si el suministro de energía se interrumpe. El cambio en el campo magnético causado por esto induce un voltaje en la bobina opuesta a la previamente excitada. El valor del voltaje depende de la velocidad de desactivación y es normalmente mucho más alto que el voltaje originalmente suministrado. Este voltaje se conoce como voltaje de estabilización.

Corriente Alterna / Corriente Continua


Existen básicamente dos tipos diferentes de corriente: la corriente directa DC, que es constante en la dirección de su flujo, y la corriente alterna AC que cambia de dirección frecuentemente. En un vehículo la aplicación de corriente alterna esta bastante limitada, básicamente esta se produce en el alternador por el uso de la inducción, pero inmediatamente se rectifica y cambia a corriente directa en su interior. La corriente suministrada a los consumos es corriente directa. La llamada corriente mixta es una corriente directa que cambia a corriente alterna.

Electro Magnetismo y Transformadores


El movimiento de cargas eléctricas genera un campo magnético. Por lo tanto: los conductores por los que fluye la corriente están rodeados por un campo magnético. Dos conductores paralelos a través de los cuales fluye corriente en la misma dirección se atraen el uno al otro, si la corriente fluye en la dirección opuesta, ellos se repelen. Básicamente, cualquier conductor a través del cual esta fluyendo corriente esta rodeado por un campo magnético. Este campo puede aumentar si el cable es adaptado como una bobina y aumenta más si se pone un núcleo de hierro a esa bobina. Este diseño se llama electro imán. La ubicación del polo norte y polo sur en un electro imán depende de la dirección de la corriente. De manera similar a un imán ordinario, la fuerza del campo magnético es mayor en los extremos del núcleo de hierro de la bobina. Como hemos aprendido: al mover un imán o un campo magnético dentro de una bobina se produce electricidad. Este efecto también actúa en forma inversa: si hay corriente circulando por una bobina, se crea un campo magnético. Mediante la combinación de estos dos principios se puede construir un transformador. Un transformador es un dispositivo que transfiere energía de un circuito a otro usando la inducción electromagnética. El transformador normalmente convierte la energía eléctrica desde un cierto valor de voltaje a otro voltaje diferente mediante un embobinado con diferente número de vueltas. Un transformador simple consiste en dos conductores eléctricos llamados embobinado primario y secundario. Si se aplica un voltaje al embobinado primario, la corriente fluirá en él, produciendo un flujo magnético. Este flujo magnético alcanza la bobina secundaria donde se induce voltaje. Mediante un acoplamiento perfecto de flujo, este flujo en el embobinado secundario será igual al del embobinado primario, por lo que en un transformador ideal, la relación entre el voltaje primario y secundario es igual a la relación del número de vueltas de sus embobinados, o alternativamente, el voltaje por vuelta es el mismo que en ambos embobinados.
Sin considerar las pérdidas, para un nivel dado de transferencia de potencia a través de un transformador, la corriente en el circuito secundario es inversamente proporcional a la relación entre el voltaje secundario y el voltaje primario.

Por ejemplo, supongamos que se aplican 50 watts de energía a la carga resistiva desde un transformador con una relación de vueltas de 25:2.
P = E · I (potencia = fuerza electromotriz · corriente) 50 W = 2 V · 25 A en el circuito primario
Ahora con el cambio del transformador: 50 W = 25 V · 2 A en el circuito secundario.
Por esta razón en un transformador, el embobinado de alto voltaje tiene más vueltas con menor sección que el embobinado de bajo voltaje. Como una fuente DC no puede producir una variación de tiempo-flujo en el núcleo, no se genera una fuerza electromotriz inversa y así el flujo de corriente en el transformador es ilimitado. En la práctica, la resistencia en serie del embobinado limita la cantidad de corriente que puede fluir, hasta que el transformador alcanza el equilibrio térmico o se destruye.

Un uso práctico del transformador de voltaje en diferentes niveles es, por ejemplo, producir alta tensión dentro de una bobina de encendido.

Fuerza Electromotriz


En un campo magnético se ejerce una fuerza en un conductor que transporta corriente. La dirección de esta fuerza se puede determinar por la regla de la mano derecha: cuando el pulgar apunta en la dirección del flujo de corriente y el dedo índice en la dirección del campo magnético, el dedo medio indica la dirección de la fuerza. Esto significa que un conductor en un campo magnético se moverá en una dirección, la que depende de la polaridad del campo magnético y la dirección de la corriente que fluye por el conductor. El cable en el ejemplo se moverá hacia delante y atrás, debido al hecho de que la corriente suministrada es corriente alterna. Si el campo magnético y los conductores (incluida la dirección de la corriente) están dispuestos de forma específica, se obtendrá un movimiento de giro constante.

Motor Eléctrico


Como se menciono: un uso práctico de la relación entre el magnetismo y la electricidad es el motor eléctrico. Como se ha estudiado, si un conductor a través del cual fluye corriente, es ubicado en un campo magnético, el conductor se moverá tendiendo a dejar el campo magnético. La dirección del movimiento depende de la dirección del flujo de corriente a través del conductor. Si el perfil del conductor tiene la forma de U (o circulo) el conductor empezará a girar, debido que la dirección del flujo en la parte superior y la parte inferior es opuesta. Si se ponen varios embobinados en un campo magnético el efecto será el mismo, pero la fuerza del giro aumentará. Este es el principio de un motor eléctrico. Un motor eléctrico se usa para mover o accionar algún elemento, por lo que se clasifica como un actuador. En el automóvil se utilizan muchos actuadores de diferentes tipos.

Actuadores



La diapositiva muestra la variedad de actuadores y el principio eléctrico usado para su funcionamiento. Si usted entiende el principio de operación de los ejemplos, estará capacitado para entender el funcionamiento de cualquier actuador y obtener más detalles a partir del principio de funcionamiento. El entendimiento del principio de funcionamiento facilita el seguimiento de fallas. Los actuadores se usan para convertir las señales de salida en diferentes niveles físicos o para amplificar la señal de salida al nivel requerido. Aquí también se usa una gama completa de efectos, tales como, magnetismo: motores; generación de calor: calefactores adicionales, etc. La primera figura muestra una bobina que se usa para cambiar el voltaje en un nivel requerido. En el ejemplo se muestra una bobina de encendido que suministra un voltaje muy alto con el propósito de encender el combustible generando una chispa en la bujía. La siguiente imagen muestra un relé, este es un dispositivo que es activado o desactivado por una pequeña corriente y puede controlar un flujo de alto voltaje a través de sus contactos. Cuando el interruptor se cierra, la corriente que fluye a través de la bobina produce un campo magnético, que atrae los contactos, de manera que el circuito a través de ellos se cierra. Si se abre el interruptor el campo magnético desaparece y los contactos se separan, por lo que el circuito que lo atraviesa se abre. El siguiente dispositivo es una resistencia variable, su función es la siguiente: la resistencia variable esta ubicada en la línea de suministro de un dispositivo, por ejemplo, la ampolleta que se muestra en el circuito del relé de la izquierda. Si la aguja se mueve hacia la posición izquierda la resistencia es baja, de manera que puede fluir un alto voltaje: la ampolleta brilla más. Si este se mueve hacia la derecha la resistencia es alta, la corriente baja y el brillo de la ampolleta se reduce. Esto también se puede usar para controlar otros dispositivos, por ejemplo para controlar el motor eléctrico que se muestra abajo a la izquierda. Al lado derecho se puede ver un motor paso a paso, que actúa como actuador, este se puede controlar en pasos específicos, por ejemplo para mover un vástago en una cantidad específica. Cada vez que las otras bobinas son energizadas por el voltaje, el motor se mueve adelante o atrás una posición, dependiendo de la polaridad de la energía suministrada. Modulación de Pulso


Otra posibilidad de regular el voltaje en lugar de usar un receptor es aplicar la modulación de amplitud de pulso. En la modulación de pulsos la corriente se conmuta entre ON y OFF con cierta frecuencia.

El Principio: para controlar la velocidad de un motor de corriente directa se necesita una fuente de poder DC de voltaje variable. Sin embargo si se tiene un motor de 12 volt y se le aplica energía, el motor comenzara a acelerar; los motores no responden inmediatamente si no que toman un corto tiempo para alcanzar la velocidad máxima. Si se corta la energía algún tiempo antes de que el motor alcance su velocidad máxima, entonces el motor comenzará a detenerse. Si se conmuta la energía de ON a OFF en forma suficientemente rápida, entonces el motor funcionará a con velocidad entre 0 y velocidad máxima. Esto es exactamente lo que hace un controlador PWM: enciende el motor mediante una serie de pulsos. Para controlar la velocidad del motor este varia (modula) la amplitud de los pulsos, de aquí viene la Modulación de Amplitud de Pulsos. Si por ejemplo, la energía suministrada es de 9V y el ciclo de relación de trabajo es 10%, resulta una señal análoga de 0.9V. En el siguiente ejemplo una batería de 9V energiza una ampolleta incandescente. Si se cierra el interruptor que conecta la batería y la ampolleta por 50ms, la ampolleta recibirá 9V durante ese intervalo. Si se abre el interruptor por los siguientes 50ms, la ampolleta recibirá 0V. Si se repite este ciclo 10 veces por segundo, la ampolleta estará encendida como si estuviera conectada a una batería de 4.5V (50% de 9V). Se dice que el ciclo de relación del trabajo es 50% y que la frecuencia modulada es 10Hz.

Nótese que el tiempo completo del pulso es constante y solo la relación entre ON y OFF cambia.

Sensores


Para conseguir información acerca de la condición de funcionamiento del motor se utilizan sensores. Las señales eléctricas no se usan sólo para los actuadores, si no también para los sensores. Los sensores usan los efectos de la electricidad para convertir la condición de funcionamiento del motor y los sistemas relacionados en señales eléctricas. De manera similar se usan las diferentes propiedades eléctricas para los distintos tipos de actuadores, lo mismo es aplicable para los sensores. Dependiendo del valor actual para medir, se aplican los diferentes efectos y propiedades de la electricidad. Por ejemplo, la inducción puede usarse para detectar la velocidad del motor con el sensor de ángulo del cigüeñal. El cambio en la resistencia se usa para detectar temperaturas, etc. La figura inferior izquierda muestra lo que se llama un relé de láminas, si la corriente fluye a través del cable se crea un campo magnético. Este campo magnético hace que los contactos se atraigan unos a otros, de forma que se cierra el circuito. Si la corriente se detiene, el campo magnético desaparece y los contactos se abren nuevamente por la fuerza de los resortes. Este relé de láminas puede también ser conmutado ON y OFF por un imán permanente ubicado cerca de los contactos. Este tipo de ejemplo se usa para revisar niveles de líquidos. En la esquina inferior derecha un resistor variable se utiliza para detectar la posición de un elemento que gira, como por ejemplo la válvula de estrangulación.
Señal Digital / Análoga


Las señales desde los sensores así como las señales que conducen a los actuadores pueden ser análogas o digitales. Demos una mirada a la diferencia entre estos dos tipos. Análogo quiere decir continuo, sin pasos. Una señal análoga es una señal continua y tiene una infinita cantidad de valores individuales, de modo que para cada punto en el tiempo existe un valor específico. La señal del sensor de rueda en la figura es una señal análoga. Existen dos desventajas para las señales análogas: la unidad de control no puede usar señales análogas directamente, de manera que estas deben ser convertidas en señales digitales por un conversor análogo digital. Pero la desventaja más severa es el hecho de que la señal análoga puede variar, por ejemplo, debido a ruido eléctrico o interrupción del cable, por lo que puede fácilmente ser mal interpretada. La razón de esto es que la unidad de control no puede reconocer si el cambio en el valor de la señal es intencional o no. Diferente a esto es la señal digital, donde los valores existen solo por momentos específicos. Frecuentemente la señal digital tiene solo dos valores diferentes, por ejemplo, ON u OFF, 12V o 0V. Por lo tanto una señal digital puede ser restaurada fácilmente, aunque halla sido influenciada por un ruido, etc. Esto es posible porque la unidad de control no establece ninguna señal bajo cierto voltaje, como por ejemplo 0V, o superior a 12V. Y por supuesto una señal digital puede ser usada directamente por la ECU, de manera que no es necesario un conversor análogo digital. Debido a esto actualmente la tecnología digital se usa donde sea posible.

La curva inferior muestra la señal del sensor de velocidad de la rueda la que es cambiada a señal digital por un conversor análogo digital. Como una desventaja puede establecerse que cuando ocurre un problema entre dos pasos digitales, no puede ser reconocido completamente. Conexión en Serie / Paralelo / Combinada


Como ya es sabido en el vehículo hay instalados varios dispositivos eléctricos tales como diferentes sensores y actuadores. La conexión entre las diferentes partes de un circuito puede hacerse en serie o en paralelo. Por supuesto es posible una combinación de esos dos métodos. Conexión en serie quiere decir que todas las partes están ubicadas entre el polo positivo y negativo de la fuente. Todos los electrones deben atravesar todos los componentes cuando viajan desde el polo positivo al negativo. La desconexión de un elemento llevará a la detención del flujo de electrones. Esto significa que la corriente que circula es la misma para todos los elementos.

La figura muestra algunos ejemplos de circuitos reales usados en un vehículo. Muy comúnmente la totalidad de los circuitos son circuitos combinados, pero para revisar el circuito este puede verse en secciones separadas para un seguimiento de fallas más fácil.
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