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    94253514 electronica-aplicada 94253514 electronica-aplicada Document Transcript

    • Electrónica aplicada INSTITUTO PROFESIONAL INACAP “ELECTRÓNICA APLICADA” 1
    • Electrónica aplicada ELECTRÓNICA APLICADA 88 hrs. Programa: Unidad I Conceptos electrónicos (10 hrs.) Teoría física electrónica Funcionamiento de Diodos, transistores y tiristores Unidad II Fundamentos de Electrónica Integrada (10 hrs.) Circuitos integrados monolíticos Armar circuitos integrados Unidad III Fundamentos de Electrónica Digital (10 hrs.) Tecnologías TTL y CMOS Circuitos de compuertas lógicas Microprocesadores Unidad IV Tipos de sensores y actuadores utilizados en control electrónico (10 hrs.) Sensores resistivos Circuitos electrónicos Unidad V Sistemas de Encendido Electrónicos (12 hrs.) Sistemas de encendido Unidad VI Sistemas de Inyección Electrónica (20 hrs.) Inyección Monopunto y Multipunto Unidad VIIAplicaciones Electrónicas (10 hrs.) Control electrónico en Maquinaria pesada y vehículos livianos Circuitos de control electrónico 2
    • Electrónica aplicada Bibliografía: Electrónica Analógica SCHAUM Edición, 1987 Ed. Mc Graw-Hill. España. Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados SCHILING y BELOVE Edición, 1997 Editorial Marcombo Principios de Electrónica MALVINO, ALBERT PAUL Edición, 1997 Ed. Mc Graw-Hill. España. Dispositivos Electrónicos en el Automóvil GILLIERI, STEFANO Edición, 1997 Editorial Ceac 3
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 4 UNIDAD 1: COMPONENTES ELECTRÓNICOS Componentes prácticamente desconocidos hace treinta años, surgen hoy, desplazando a las válvulas de vacío (tubos) de funciones que hasta hace poco se creían de su exclusiva propiedad. Para el estudio y comprensión de los fenómenos que ocurren en dispositivos semiconductores, es necesario conocer algunos detalles del mundo atómico, como por ejemplo: • Su estructura • Propiedades de las partículas que lo Integran MODELO ATÓMICO DE BOHR: La electricidad consiste en el movimiento de electrones en un conductor. Para entender que es un electrón y como se comporta, tendremos que estudiar la composición de la materia. Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa (ejemplo: hielo, agua, gas). Toda la materia está compuesta de bloques químicos los cuales son llamados elementos. La naturaleza ha proporcionado más de 100 elementos, los Sustancia Elemento cuales en combinación forman los diferentes Átomo tipos de materia que se encuentran en nuestro planeta. El hierro es un elemento. Cobre, Hidrógeno, Oxígeno, Aluminio, Mercurio, Sodio y Cloro, son ejemplos de otros elementos. Cuando el Hidrógeno y el Oxígeno se combinan químicamente, se forma el agua. La Sal es el resultado cuando se combina químicamente el Cloro y el Sodio. La materia se divide en moléculas, las cuales a su vez se dividen en átomos. Estos átomos se componen de dos partes: el núcleo y la periferia. Si tomamos una gota de agua y la dividimos en dos tendremos dos partes, pero ambas serán de agua. El agua es un compuesto químico de dos elementos: Hidrógeno (H) y Oxígeno (O) cuya fórmula es H2O. Podemos imaginarnos otras divisiones de la gota de agua, hasta que llegue un momento en el que tendremos dos átomos de Hidrógeno por uno de Oxígeno, y éstos a su vez están compuestos por electrones, protones y neutrones Molécula: Es la parte más pequeña en que puede dividirse la materia y seguir conservando sus características de compuesto. Por ejemplo una molécula de H2O. Átomo: 4
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 5 Es la parte más pequeña en la cual un elemento puede ser reducido y ser clasificado aún. Por ejemplo un átomo de Hidrógeno, un átomo de Oxígeno, un átomo de Cloro, etc., El átomo es similar a nuestro sistema solar, en el cual el Sol es el núcleo y sus planetas las partículas que giran alrededor del núcleo En el núcleo del átomo se encuentran: • Los protones con carga eléctrica positiva • Los neutrones que como su nombre insinúa, no tienen carga eléctrica o son neutros. El la periferia se encuentran: • Los electrones con carga eléctrica negativa. El físico danés Niels Bohr, creo el modelo (después llamado modelo de Bohr) donde se nuestra la estructura del átomo. El número de protones es igual al número de electrones Hay algunos electrones que se encuentran en las órbitas más alejadas del núcleo, por lo que podrían liberarse fácilmente. Estos electrones son los llamados electrones de valencia Electrón Electrones N? leo + + + Orbita Protones Neutrones Ejemplo: El átomo de cobre tiene 29 protones y 29 electrones. De estos 29 electrones, 28 viajan en órbitas cercanas al núcleo y 1 viaja en una órbita lejana. A este electrón se le llama: electrón libre. (Electrón de valencia) Propiedades del átomo: 1) Los protones que poseen carga eléctrica positiva de igual magnitud que la del electrón, son aproximadamente 1800 veces más pesado. 2) Un átomo normal, el número de electrones que giran alrededor del núcleo, es igual al número de protones, y por ello se dice que un átomo es eléctricamente neutro. 3) Debido al movimiento de rotación de los electrones alrededor del núcleo a, actúa sobre él una fuerza centrífuga que trata de alejarlos del núcleo. Esta fuerza se equilibra con la fuerza de atracción del núcleo lo que mantiene al electrón en una órbita estable.. 4) Todo lo que nos rodea, es decir, todos los materiales que forman nuestro mundo diario, están formados por aproximadamente 100 sustancias básicas o elementos. 5
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 6 Ejemplo: H , Ca , N , O , K , Cl , Cu, Na, etc O bien una combinación de dos o más elementos básicos Ejemplo: Agua, Sal, Acero, Bronce, etc. 5) Cada elemento básico posee una cantidad diferente de electrones girando alrededor del núcleo, en diferentes órbitas que se designan con las letras: 6
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 7 El átomo PRO POSE ELÉ POS NEUT POSEEN ELÉCT N NUCLEO K 8 Protones (+) L M N O P 8 Neutrones Q ELECTRONES: POSEEN CARGA ELECTRICA NEGATIVA (-), GIRAN ALREDEDOR DEL NUCLEO 8 Electrones (-) Nucleus Anillos Orbitales (K, L, M, N? ) K L 햠 omo de Oxigeno Para comprender cómo funcionan los diodos, transistores y los circuitos integrados es necesario estudiar los materiales semiconductores: componentes que no se comportan ni como conductores ni como aislantes. Los semiconductores poseen algunos electrones libres, pero lo que les confiere un carácter especial es la presencia de huecos. CONDUCTORES El cobre es un buen conductor si se observa su estructura atómica. El núcleo o centro del átomo contiene 29 protones (cargas positivas). Cuando un 7
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 8 átomo de cobre tiene una carga neutra, 29 electrones (cargas negativas) se disponen alrededor del núcleo. Los electrones viajan en distintas órbitas quedando sólo un electrón en el orbital exterior. Orbitales estables: El núcleo atómico atrae a los electrones orbitales, estos no caen hacia el núcleo debido a la fuerza centrífuga (hacia fuera) creada por su movimiento orbital. Cuando un electrón se haya en un orbital estable, la fuerza centrífuga equilibra exactamente la atracción eléctrica ejercida por el núcleo. Los electrones de un orbital más alejado se mueven a una velocidad menor, produciendo menos fuerza centrífuga. El electrón más externo viaja muy lentamente y casi no se siente atraído hacia el núcleo. La parte interna: En electrónica, lo único que importa es el orbital exterior, el cual también se denomina orbital de valencia. Éste es el que determina las propiedades eléctricas del átomo. Por lo anterior, se define la parte interna del átomo como el núcleo más todos los órbitales internos. Para un átomo de cobre, la parte interna es el núcleo (+29) y los tres primeros orbitales (+28). La parte interna del átomo de cobre tiene una carga resultante de +1, porque tiene 29 protones y 28 electrones internos. El electrón de valencia se encuentra en un orbital exterior alrededor de la parte interna y tiene una carga resultante de +1. A causa de ello, la atracción que sufre el electrón de valencia es muy pequeña. Electrón libre: El electrón de valencia al ser atraído muy débilmente por la parte interna del átomo, una fuerza externa puede arrancar fácilmente ese electrón con una muy pequeña tensión, al que se le conoce como electrón libre, por eso el cobre es un buen conductor. Los mejores conductores son la plata, el cobre y el oro Cuando el electrón de valencia se va, la carga resultante del átomo es +1. Si un átomo neutro pierde un electrón se convierte en un átomo cargado positivamente que recibe el nombre de ión positivo. Cuando un electrón exterior entra dentro del orbital de valencia, la carga resultante del átomo es -1. Si un átomo tiene un electrón extra en el orbital de valencia llamamos al átomo cargado negativamente ión negativo. Eléctricamente Neutro Ion Positivo Ion negativo 8
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 9 AISLANTES: Los átomos que tengan 5, 6 ó 7 electrones en la órbita periférica, tienen la tendencia de completar esta órbita a ocho electrones. Estos átomos se vuelven “iones negativos” pues, eléctricamente se vuelven negativos. Este es el caso de los Aislantes (Azufre, Cloro, etc.) SEMICONDUCTORES: Los mejores conductores tienen un electrón de valencia, mientras los mejores aislantes poseen ocho electrones de valencia. Un semiconductor posee propiedades eléctricas entre las de un conductor y un aislante, por lo tanto, los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de valencia. Los semiconductores más conocidos son el germanio y el silicio, ambos tienen 4 electrones de valencia. El germanio fue el primero en utilizarse siendo luego reemplazado por el silicio pues el primero presentaba demasiada corriente inversa. Un átomo de silicio tiene 14 protones y 14 electrones y su distribución, observada en la figura, muestra una carga resultante de +4 porque contiene 14 protones en el núcleo y 10 electrones en los dos primeros orbitales. Los 4 electrones de valencia nos indican que es un semiconductor. RESUMEN: 9
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 10 COVALENCIA O ENLACE COVALENTE. Es cuando dos átomos comparten sus cuatro electrones, comportándose como si tuvieran 8, por ejemplo el silicio o el germanio, contaminados con impurezas del grupo III o grupo V de la tabla periodica. Elementos del grupo III: boro, aluminio, galio, Tántalo. Elementos del grupo V: indio, fosforo, arsénico, antimonio, bismuto. 10
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 11 BANDAS DE ENERGÍA Acá podemos destacar a la “Banda de Valencia”, que corresponde a la zona en que los electrones se encuentran semi libre, la “Banda de Conducción”, que corresponde a la zona donde los electrones se encuentran con la suficiente energía para moverse libremente en una estructura cristalina, y la “Banda Prohibida” que corresponde a la zona cerrada al paso libre de los electrones entre las bandas de Conducción y de Valencia. Para que los electrones de la banda de valencia puedan servir como portadores deben pasar a la banda de conducción, ello implica entregarles una cierta cantidad de energía, que puede tener la forma de calor, luz, radiaciones, etc. La magnitud de dicha energía es igual a la altura de la banda prohibida. Se mide en eV. (1 eV = 1,6 х 1019 Joules) CRISTALES DE SILICIO Cuando los átomos de silicio se combinan para formar un sólido, lo hacen en una estructura ordenada llamada cristal. Cada átomo de silicio comparte sus electrones de valencia con los átomos de silicio vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en el orbital de valencia. Aunque el átomo tiene originalmente 4 electrones de valencia. Enlace covalente: Cada átomo vecino comparte un electrón con el átomo central. De esta forma el átomo central parece tener 4 electrones adicionales, sumando un total de 8 electrones de valencia. Los electrones dejan de pertenecer a un solo átomo, ya que cada átomo central y sus vecinos comparten electrones. 11
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 12 Los pares de electrones que se observan en la figura se atraen con fuerzas iguales y opuestas (ya que pertenecen a átomos distintos). Este equilibrio entre fuerzas es el que mantiene unidos a los átomos de silicio. El electrón constituye un enlace entre núcleos opuestos llamado enlace covalente. 12
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 13 Saturación de valencia: El cristal de silicio contiene 8 electrones de valencia, esto produce una estabilidad química que da como resultado un cuerpo compacto de material de silicio. No se está aseguro de por qué el orbital exterior de todos los elementos tiene una predisposición a tener 8 electrones. Cuando no existen ocho electrones de forma natural en un elemento, este tiende a combinarse y a compartir electrones con otros átomos para obtener 8 electrones en su orbital exterior. Matemáticamente se puede explicar la estabilidad lograda al tener valencia 8 pero no se sabe la razón del porqué. Se trata de una ley experimental estableciéndose que: Saturación de valencia: n= 8 O sea, el orbital de valencia no puede soportar más de 8 electrones. Debido a que los electrones están fuertemente ligados, un cristal de silicio es casi un aislante perfecto a temperatura ambiente. El hueco: Cuando la temperatura es mayor que el cero absoluto (-273ºC), el calor hace que los átomos en un cristal de silicio vibren. A mayor calor, más intensas serán las vibraciones mecánicas de dichos átomos. Si se toca un objeto, el calor que transmite proviene de la vibración de sus átomos. Estas vibraciones pueden hacer que se desligue un electrón del orbital de valencia. Cuando esto sucede, el electrón liberado gana energía para situarse en un orbital de nivel energético mayor, pasando a ser un electrón libre. 13
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 14 Pero la salida del electrón deja un vacío, que se denomina hueco, en el orbital de valencia, y se comporta como una carga positiva por la pérdida de ese electrón (ión positivo). En un cristal se crean igual número de electrones libres que de huecos debido al calor. Los electrones libres se mueven en forma aleatoria dentro del cristal. En ocasiones un electrón libre se aproximará a un hueco, será atraído y caerá hacia él. Esta unión entre un electrón libre y un hueco se llama recombinación. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida que varía de unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos dependiendo por ejemplo de la perfección del cristal. En todo instante lo que está sucediendo dentro de un cristal de silicio es: • Se están creando electrones libres y huecos por acción del calor • Otros electrones libres y huecos se están recombinando • Algunos electrones libres y huecos existen temporalmente esperando una recombinación. SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS (PURO) Es un semiconductor puro de silicio si cada átomo del cristal es un átomo de silicio. A temperatura ambiente, un cristal de silicio se comporta casi como un aislante ya que producto del calor tiene solo unos pocos electrones libres y sus huecos correspondientes producidos por la energía térmica de dicho cristal. Flujo de electrones libres: En la figura se observa parte de un cristal de silicio situado entre dos placas metálicas cargadas. Supóngase que la energía térmica ha producido un electrón libre y un hueco. El electrón libre se halla en un orbital de mayor energía en el extremo derecho del cristal. Debido a que el electrón está cerca de la placa cargada negativamente, es repelido por esta, de forma que se desplaza hacia la izquierda de un átomo a otro hasta que alcanza la placa positiva. El hueco de la izquierda atrae al electrón de valencia del punto A, lo que provoca que dicho electrón se desplace hacia el hueco creando un nuevo hueco en este punto. El efecto es el mismo que si el hueco original se desplazara hacia la derecha. El nuevo hueco del punto A puede atraer y capturar otro electrón de valencia. De esta forma, los electrones de valencia pueden moverse en la trayectoria indicada por las flechas y el hueco, en sentido opuesto actuando de la misma forma que una carga positiva. 14
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + 15 + 15
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 16 En la figura anterior la tensión aplicada forzará a los electrones libres a circular hacia la izquierda y a los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo del cristal entran al conductor externo y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería circularán hacia el extremo derecho del cristal, en ese punto, entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo derecho del mismo. Así se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor. (no hay flujo por fuera del semiconductor). Los electrones libres y los huecos reciben a menudo la denominación de portadores debido a que transportan la carga eléctrica de un lugar a otro. DOPAJE DE UN SEMICONDUCTOR (SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO) El dopaje supone que, deliberadamente se añaden átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. El proceso de dopaje consiste en fundir un cristal puro de silicio para romper los enlaces covalentes y cambiar de estado sólido a líquido. Aumento en el número de electrones libres: Con el fin de aumentar el número de electrones libres se añaden átomos pentavalentes al silicio fundido. (Arsénico, antimonio, fósforo). Como estos materiales donarán un electrón extra al cristal se les conoce como impurezas donadoras. Al enfriarse el cristal y volver a su estructura cristalina, Si queda en el centro el átomo Electrón pentavalente rodeado por 4 átomos de silicio. Como antes, los átomos vecinos comparten un electrón con el átomo central, pero en este caso queda un electrón adicional al poder A Si Si solo 8 electrones situarse en el s orbital de valencia. El electrón adicional queda en un orbital mayor y es un electrón libre. Cada átomo pentavalente produce un electrón libre Si controlando así la conductividad de un semiconductor dopado. Uno dopado ligeramente tiene una alta resistencia y uno fuertemente dopado tiene una resistencia pequeña. Cuando el silicio ha sido dopado con una impureza pentavalente se llama semiconductor tipo n. Como los electrones superan a los huecos reciben 16
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 17 el nombre de portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les denomina portadores minoritarios. 17
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 18 Aumento del número de huecos: Para lograrlo se utilizan impurezas trivalentes, es decir átomos con 3 electrones de valencia (Aluminio, Boro, Galio). El átomo trivalente en el centro queda rodeado de 4 átomos de silicio, cada uno compartiendo uno de sus electrones de valencia. Como el átomo trivalente tenía al principio solo 3 electrones de valencia, quedan solo 7 electrones en el orbital de valencia. Esto significa que aparece un hueco en el orbital de valencia de cada átomo trivalente, por lo que recibe el nombre de átomo aceptor porque cada uno de los huecos con que contribuye puede aceptar un electrón libre durante la recombinación. Si Si Al Si Si hueco El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor tipo p. Como el número de huecos supera al número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios. 18
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 19 Para que un fabricante pueda dopar un semiconductor debe producirlo inicialmente como un cristal absolutamente puro. Controlando posteriormente la cantidad de impurezas, se puede determinar con precisión las propiedades del semiconductor. Que sea un semiconductor tipo p o tipo n, no significa que sea positivo o negativo, pues ambos se realizan de la unión de elementos originalmente neutros. Por ejemplo un semiconductor tipo N se realiza con la unión del silicio (posee 14 protones y 14 electrones) con, por ejemplo el arsénico (33 protones y 33 electrones). Si se suman la cantidad de electrones y protones del semiconductor sigue siendo eléctricamente neutro EL DIODO NO POLARIZADO Un Cristal semiconductor (tipo p ó n) tiene la misma utilidad que una resistencia de carbón, pero no ocurre lo mismo se dopa un cristal de tal manera que una mitad sea tipo n y la otra tipo p. La frontera entre ambos se le conoce como unión pn y a propiciado inventos como por ejemplo diodos, transistores y circuitos integrados. El semiconductor tipo p se representa como se aprecia en el lado izquierdo de la figura siguiente. Cada signo (-) encerrado en un círculo representa un átomo trivalente y cada signo (+) es un hueco en su orbital de valencia. Lo contrario ocurre al lado derecho donde se representa un semiconductor tipo n. La unión es la frontera donde se juntan las regiones tipo n y tipo p, por lo que se le llama también diodo de unión. Zona de deplexión: 19
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 20 Al unirse un semiconductor tipo n con uno tipo p, se produce un éxodo de electrones del lado n hacia el lado p por la repulsión de cargas iguales. Poco después de entrar a la región p el electrón libre cae en un hueco. Cuando eso sucede el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en un electrón de valencia creándose en esa difusión un par de iones, un ión positivo en el lado n (abandonó un electrón), y un ión negativo en el lado p (aceptó un electrón). iones Zona de deplexión En la figura el signo (+) encerrado en un circulo indica un ión positivo, y el signo (–) encerrado en un circulo, un ión negativo. Los iones se encuentran fijos en la estructura del cristal debido a los enlaces covalentes y no pueden moverse de un lado a otro como los electrones libres y los huecos. Cada pareja de iones positivos y negativos en la unión se llama dipolo. A medida que aumenta el número de dipolos, la región cercana a la unión se vacía de portadores y a esa zona se le conoce como zona de deplexión. BARRERA DE POTENCIAL Cada dipolo posee un campo eléctrico entre los iones positivos y negativos que lo forman; por lo tanto, si entran electrones adicionales en la zona de deplexión, son rechazados hacia la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta que se alcanza el equilibrio. El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada barrera de potencial. A 25ºC la barrera de potencial es aproximadamente 0,3 V para diodos de germanio y 0,7 V para diodos de silicio. POLARIZACIÓN DIRECTA Consiste en conectar el terminal negativo de una fuente de corriente continua al material tipo n, y el terminal positivo al material tipo p. 20
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 21 La batería empuja los electrones libres y los huecos hacia la unión. Si la tensión de la batería es menor que la barrera de potencial, los electrones no tienen suficiente energía para atravesar la barrera de potencial, por lo tanto, no circula corriente a través del diodo. Cuando la fuente de tensión continua es mayor que la barrera de potencial, los electrones libres tienen suficiente energía para pasar a través de la zona de deplexión y recombinarse con los huecos. Para hacerse una idea básica, imaginemos todos los huecos en la zona p moviéndose hacia la derecha y todos los electrones libres desplazándose hacia la izquierda. En algún lugar cercana a la unión estas cargas opuestas se recombinan. Como los electrones libres entran continuamente por el extremo derecho del diodo y continuamente se crean huecos en el extremo izquierdo, existe una corriente continua a través del diodo. En resumen, un diodo polarizado en forma directa permite el paso de la corriente eléctrica. POLARIZACIÓN INVERSA El terminal negativo de la batería se encuentra conectado al lado p, y el terminal positivo de la batería al lado n. El terminal negativo de la batería trae los huecos y el terminal positivo, los electrones libres; por ello, los huecos y electrones libres se alejan de la unión, como resultado la zona de deplexión se ensancha. Los iones recién creados hacen que aumente la diferencia de potencial a través de la zona de deplexión. La zona de deplexión deja de aumentar en el momento en que su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada. Corriente de portadores minoritarios: ¿Existe corriente después de haberse estabilizado la zona de deplexión? Sí. Incluso con polarización inversa hay una pequeña corriente. Recuerde que la energía térmica crea continuamente pares de electrones libres 21
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 22 y huecos, lo que significa que a ambos lados de la unión existen pequeñas concentraciones de portadores minoritarios. La mayor parte de estos se recombinan con los portadores mayoritarios, pero los que se hayan dentro de la zona de deplexión pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión. Cuando esto sucede, por el circuito externo circula una pequeña corriente. La corriente inversa originada por los portadores minoritarios producidos térmicamente se llama corriente inversa de saturación (Is), pero se debe observar que al aumentar la tensión inversa no hará que crezca el número de portadores minoritarios creados térmicamente. Corriente superficial de fugas: Es una pequeña corriente que circula por la superficie del cristal causada por impurezas en su superficie e imperfecciones en su estructura interna. La corriente inversa en un diodo de silicio es aproximadamente cero 22
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 23 RUPTURA: Los diodos admiten unos valores máximos en las tensiones que se les aplican. Por lo tanto, existe un límite para la tensión máxima en inversa con la que se puede polarizar un diodo sin correr el riesgo de destruirlo. Si se aumenta continuamente la tensión inversa, llegará un momento en que se alcance la tensión de ruptura del diodo (generalmente 50V). Ésta se muestra en la hoja de características del diodo en particular. Una vez alcanzada la tensión de ruptura, una gran cantidad de portadores minoritarios aparece repentinamente en la zona de deplexión y el diodo conduce descontroladamente por un efecto llamado avalancha que aparece con tensiones inversas elevadas. Cuando la tensión inversa aumenta obliga a los portadores minoritarios a moverse más rápidamente, chocando contra los átomos del cristal. Si adquieren la energía suficiente , pueden golpear a los electrones de valencia y liberarlos, es decir, produce electrones libres. Estos dos electrones libres liberan, a su vez, a otros dos de valencia, y así sucesivamente, de forma que el proceso continúa hasta que la corriente inversa es muy grande. La tensión de ruptura de un diodo depende del nivel de dopaje del mismo. Con los diodos rectificadores (el tipo más común), la tensión de ruptura suele ser de 50 V. LA BARRERA DE POTENCIAL Y LA TEMPERATURA: La temperatura de unión es la temperatura dentro del diodo, exactamente en la unión pn. La temperatura es diferente. Cuando el diodo está conduciendo, la temperatura de la unión es mas alta que la temperatura ambiente a causa del calor creado en la recombinación. La barrera de potencial depende de la temperatura en la unión. Un incremento en la temperatura de la unión crea más electrones libres y huecos en las regiones dopadas, lo que significa que la barrera de potencial disminuye al aumentar la temperatura de la unión. La barrera de potencial de un diodo de silicio decrece 2 mV por cada incremento de 1 ºC.. ∆V mV = −2 ∆T ºC 23
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 24 Así se puede calcular la barrera de potencial a cualquier temperatura de la unión. 24
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 25 NIVELES DE ENERGÍA: Como el electrón es atraído por el núcleo, se requiere energía adicional para llevarlo a un orbital mayor. Cuando un electrón salta del primero al segundo orbital, gana energía potencial con respecto al núcleo. Algunos de los agentes externos que pueden hacer saltar a un electrón a un nivel de energía mayor, son el calor, la luz y la tensión eléctrica. Después de que un electrón ha saltado a un orbital mayor, puede regresar a su nivel de energía inicial. Si lo hace devolverá la energía sobrante en forma de luz, calor u otro tipo de radiación. El diodo LED es un ejemplo de ello (diodo emisor de luz). Dependiendo del material de construcción del diodo, la luz es roja, verde, naranja o azul. Algunos diodos LED producen radiación infrarroja (invisible) que es útil en sistemas de alarma antirrobo. DIODOS: Una resistencia ordinaria es un dispositivo lineal, porque la gráfica de su corriente en función de su tensión es una línea recta. Un diodo es un dispositivo no lineal porque la gráfica de la corriente en función de la tensión no es una línea recta. En la simbología del diodo común, el lado p se llama ánodo y el lado n es el cátodo, y la flecha va de ánodo a cátodo. Los diodos de unión pn y los zener tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, no supera el de una resistencia de carbón de ¼ W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diámetro que las resistencias. Aunque existe gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es función de la potencia que pueden disipar. Es característico encontrarse un anillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y números, el cátodo es marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal. Otros usan códigos de colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próximo a la banda de color más gruesa. Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra "K" o el ánodo con la "a". Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distintos colores, según sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana. 25
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 26 OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente. AB Zona de Conducción (a partir de los 0,6 [V] app.) OC Corriente inversa de saturación, a partir El circuito de la figura puede montarse en el laboratorio y medir la tensión en el diodo y la corriente que lo atraviesa. También se puede invertir la polaridad de la fuente de tensión continua y medir la corriente y tensión del diodo polarizado en forma inversa. Si se representa la corriente a través del diodo en función de la tensión se obtendrá una gráfica parecida. Cuando el diodo está polarizado en directa no hay una corriente significativa hasta que la tensión en el diodo sea superior a la barrera de potencial. Por otro lado, cuando el diodo está polarizado en inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión del diodo alcanza la tensión de ruptura. Entonces la avalancha produce una gran corriente inversa destruyendo el diodo. En la polarización directa, a tensiones mayores que la umbral, la corriente en el diodo crece rápidamente, lo que quiere decir que aumentos pequeños de la tensión del diodo originan grandes incrementos en su corriente pues lo único que se opone a la corriente es la resistencia de las zonas p y n las que sumadas se les llama resistencia interna del diodo. RB = RP + R N El valor de la resistencia interna es función del nivel de dopado y del tamaño de las zonas p y n. siendo normalmente menor que 1 Ω. Máxima corriente continua con polarización directa: Si la corriente en un diodo es demasiado grande, el calor excesivo destruirá el diodo; por esta razón, la hoja característica que proporcionan los fabricantes especifica la corriente máxima que un diodo puede soportar sin peligro de acortar su vida o degradar sus propiedades. Por ejemplo un diodo 1N456 tiene una corriente máxima (Imax ) de 135 mA. Disipación de potencia: 26
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 27 Se puede calcular la disipación de potencia de un diodo de la misma forma que se hace para una resistencia. Es igual al producto de la tensión del diodo y la corriente. PD = VD × I D La limitación de potencia indica cuánta potencia puede disipar un diodo sin dañarse. Pmax = Vmax × I max Por ejemplo si un diodo tiene una tensión y corriente máxima de 1V y 2A, su limitación de potencia es de 2W. Tensión inversa de ruptura: Un ejemplo es un diodo 1N4001, este tiene una tensión inversa de 50 V. Esto supone la destrucción del diodo, lo que debe evitar el diseñador para cualquier condición de trabajo, por ese motivo se incluye un factor de seguridad. No existe una regla absoluta acerca del valor que debe darse al factor seguridad, ya que este depende de muchos elementos de diseño. Un diseño conservador emplearía un factor de 2, lo que significa que no se permite en ninguna circunstancia una tensión inversa superior a 25V. CIRCUITO CON DIODOS La mayoría de los dispositivos electrónicos, televisores, equipo estéreo y ordenadores necesitan una tensión continua para funcionar correctamente. Como las líneas de tensión son alternas, la primera cosa que necesitamos es convertir la tensión alterna en tensión continua. Dentro de las fuentes de potencia hay circuitos que permiten que la corriente fluya en un solo sentido. Estos circuitos se llaman rectificadores. Rectificador de ½ onda: R = 1 [k Ohm] La figura muestra una fuente de corriente alterna (transformador) que entrega una tensión sinusoidal. La mitad positiva del ciclo de la tensión de fuente polarizará el diodo de manera directa. Esto equivaldría a un interruptor cerrado por lo que aparecerá tensión positiva en la resistencia de carga. En la 27
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 28 mitad negativa del ciclo, el diodo se polariza de manera inversa comportándose como un interruptor abierto y no hay tensión en la resistencia de carga. 28
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos f = 29 1 Ciclos ( H Z )( ) T seg VRMS = Vp 2 El valor del voltaje medio, es el valor de una tensión continua que produce el mismo efecto calorífico que una Vm = Vp π Im = Ip π Ejercicio de ejemplo: 10 V RM Se tiene una fuente alterna de 10 V (RMS) y 60 Hz S Lo primero que hay que hacer es calcular el valor pico de la fuente alterna V p = 10V × 2 V p = VRMS × 2 Res istencia de carga V p = 14,1V La tensión pico en la carga es V p ( out ) =V p (in )−0,7V V p ( out ) = 14,1V − 0,7V V p ( out ) = 13,4V La tensión continua en la carga es: Vdc = Vp π Vdc = 13,4V π Vdc = 4,27V 29
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos Rectificador de onda completa: El puente rectificador es un tipo de rectificador de onda completa. Los diodos d1 y d3 conducen en la mitad positiva del ciclo, y d2 y d4 conducen en la mitad negativa del ciclo. Como resultado, la corriente circula por la carga durante ambas mitades del ciclo. 30 Diodo 4 Diodo 1 10 V RM S Diodo 3 Diodo 2 Diodo 1 10 V RM S Diodo 3 Diodo 4 10 V RM S Diodo 2 Valor de continua o valor medio en un rectificador de onda completa, esta señal tiene el doble de ciclos positivos, como lo visto en la grafica, por lo tanto el valor del voltaje rectificado es (VD): El valor de la corriente media en rectificador de onda completa es: Vdc = 2 ×Vp π Im = 2 × Ip π A la salida de un rectificador se obtiene una tensión continua pulsante, para mejorar esta señal y dejarla lo más cercano a una señal continua pura, se utilizan los filtros. Existen diferentes tipos de filtros, como son: • Filtros capacitivos (condensadores) 30
    • Electrónica Aplicada • • Unidad I Componentes Electrónicos 31 Filtros inductivos (bobinas) Filtros inductivos - capacitivos, ambos o una mezcla de ambos. Uno de los más usados es el filtro capacitivo, que a continuación daremos a conocer brevemente: 31
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 32 El filtro de condensador en la entrada: Este filtro genera una tensión de salida continua igual al valor de pico de la tensión rectificada. Este tipo de filtros es muy usado en fuentes de alimentación y alternadores. La siguiente figura nos muestra la forma de conectar el condensador: En los filtros de onda completa el rizado de pico a pico se corta por la mitad, como se observa en la figura. Cuando una tensión de onda completa se aplica a un circuito RC, el condensador solo descarga la mitad del tiempo. Por lo tanto, el rizado de pico a pico tiene la mitad de tamaño que tendría con un rectificador de media onda, la señal con el condensador mejora notablemente. El funcionamiento del condensador consiste en lo siguiente: El funcionamiento del condensador consiste en lo siguiente: Este se carga a través de la tensión continua pulsante que entrega el rectificador, una vez que el condensador almacena un valor máximo de tensión, comienza su descarga hasta que nuevamente la tensión continua pulsante alcance el valor del condensador, comenzando nuevamente su carga 32
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 33 Se puede calcular el voltaje de rizado de pico a pico de cualquier filtro con condensador a la entrada: Vr = I fC Donde: • • • • Vr I f C = Tensión de rizado pico a pico (V) = Corriente por la carga en continua (A) = Frecuencia de rizado (Hz) = Capacidad (F) Como observación si se despeja en la fórmula la capacidad del condensador para lograr un rizado igual a cero, se darán cuenta que el resultado es infinito, por lo tanto no existe el condensador que nos permita una corriente rectificada continua perfecta El diodo además de rectificar, se puede utilizar como elemento de protección, como por ejemplo asegurar el paso de corriente en un solo sentido. El diodo además puede proteger de errores de polaridad. OTROS TIPOS DE DIODOS: Diodo Zener: El diodo Zener es un tipo de diodo diseñado especialmente para conducir satisfactoriamente el flujo de corriente en sentido inverso. La principal característica de este tipo de diodo, es que se le inyectan más impurezas de lo normal durante su fabricación, con lo cual se obtiene un gran número de hoyos (huecos) y electrones, lo que permite al diodo Zener conducir corriente en sentido inverso sin sufrir daño, si se usa en un circuito de diseño adecuado. 33
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 34 La única característica de operación del diodo Zener es que no conducirá la corriente en dirección inversa por debajo de cierto valor predeterminado de voltaje inverso. Como por ejemplo, en un diodo Zener no puede circular corriente si el voltaje de polarización inverso es bajo 6 [V], pero cuando este voltaje llega a ser 6 [V] o más, el diodo conducirá repentinamente corriente en sentido inverso. Este tipo de diodo es utilizado en circuitos de control. • • • El diodo Zener: Estabiliza la tensión. Para trabajar la corriente (I) tiene que ser mayor que la corriente (Iz) mínima. Nunca debe pasar la Iz máxima. El diodo Zener es un elemento estabilizador de tensión, que para pequeños márgenes de variación de voltaje, trabaja con variaciones importantes de corriente, para asegurar que el diodo Zener trabaje como estabilizador, debe cumplir las siguientes condiciones: 34
    • Electrónica Aplicada • • Unidad I Componentes Electrónicos 35 Este diodo debe ser atravesado como mínimo por una corriente igual a Iz mínimo (dato entregado por el fabricante). No debe sobrepasar por ningún caso, la corriente Zener máxima (Iz máx.), ya que puede producir daños en el componente. 35
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 36 Diodo LED (Emisor de luz): Otro tipo de diodo utilizado son los diodos emisores de luz, que son conocidos universalmente con el nombre de “LED” , abreviatura que corresponde a las iniciales de su nombre anglosajón (Light Emitter Diode). Estos diodos funcionan por un complicado proceso físico, que en definitiva, concluye con la particularidad que tienen determinados electrones de desprender fotones cuando vuelve a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde, si el material del semiconductor ha sido tratado con impurezas de Galio – Fósforo. Por otro lado, puede ser de color rojo si el tratamiento se ha llevado a cabo por medio de Galio – Arsénico. También existen de color amarillo. Por lo tanto hay varios tipos básicos diferentes de LEDs, cado uno de color indicado según su construcción. Estos diodos consiguen una luz bastante viva, con la muy importante particularidad de utilizar una mínima cantidad de corriente (pues solo gastan unas decenas de miliamperios por hora) por lo que resultan ideales en los circuitos de control de luces testigos. • • • • • • Aplicaciones: Indicador posicionado de luces (color verde) Testigo de funcionamiento del alternador (color rojo) Indicador de funcionamiento de las bujías incandescentes (color amarillo) Testigo de funcionamiento de las luces altas de carretera Instrumentos de control Etc. 36
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 37 37
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 38 Ejemplo: Determine el valor de la resistencia “R” del circuito que se muestra a continuación. R= V Vf − VLED 12− 18 , = = = 0,56kΩ] [ I ILED 18 10 3 × − Los Fotodiodos: El fotodiodo funciona de una manera inversa a lo que se ha visto en los diodos emisores de luz. Se trata de un diodo semiconductor, en el cual la corriente inversa varía con la iluminación que incide sobre su unión N – P. Estos diodos trabajan al recibir una radiación luminosa y se deben polarizar en forma inversa. Se pueden utilizar en medir la velocidad angular de un motor, en sistemas de encendido transistorizado (reemplazando al platino). TRANSISTORES: El transistor es un dispositivo electrónico utilizado para controlar el flujo de corriente. En ésta sección la operación del transistor es descrita por observación de las condiciones bajo las cuales el flujo de corriente NO permite el paso de corriente.(transferencia de corriente a través de un resistor) 38
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 39 En la sección anterior se estudiaron los conceptos fundamentales y la construcción de los diodos. Además se estudió que los diodos están formados por una unión N – P. Cuando se forma una segunda sección de material TIPO P con la unión N – P, se forma un “Transistor”. El material “P” en el lado izquierdo es llamado “emisor”, el material tipo “N” en el centro es la “base” y el material tipo “P” en el lado derecho es llamado “colector”. Este arreglo es conocido como un transistor “PNP” También es posible formar un transistor “NPN” usando dos áreas de material “N” y una de material “P”. El transistor NPN es el tipo más utilizado. El emisor es la línea con la flecha, la línea gruesa es la base y la línea sin flecha es el colector. Note que la flecha va en la dirección de la teoría convencional del flujo de corriente de positivo a negativo en el circuito externo. El transistor es de estructura simple, pero debe cumplir con ciertos requisitos de “Dopado” y dimensiones especiales, que hacen que el dispositivo no se comporte como dos diodos. Modo de Funcionamiento: Unión Base – Emisor Unión Base – Colector Modos de Funcionmaiento Directa Directa Saturación On Interruptor Inversa Inversa Corte Interruptor 39
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 40 Off Directa • Inversa Activa En saturación: Cuando el transistor conduce el máximo de Ic que puede tolerar. Esta disposición se utiliza cuando queremos el transistor funcionando como interruptor 40
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 41 • Transistor en corte: En serie con la base se conecta una resistencia de polarización Rb. Si el diodo emisor – base está polarizado en inversa no puede circular corriente alguna. • En activa: Al polarizar directamente el diodo emisor – base, circula una pequeña corriente que depende del valor de Rb, la que hace que se establezca otra mucho mayor entre el emisor y el colector (Ic) proporcional a la corriente de base. De esta forma tenemos una corriente en el circuito emisor – colector elevada que se puede controlar mediante otra mucho menor, el transistor funciona como un amplificador de corriente. Configuraciones de un transistor como Amplificador Estas dependen del terminal que se elija común a la entrada y a la salida. Donde: Vi = Voltaje de entrada 41
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 42 Vo = Voltaje de salida MA0112-41 42
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 43 Funciones principales de un transistor: En lo que respecta al automóvil se destaca la importancia del transistor en la utilización como Relé y amplificador. a) Como Relé: Para que funcione de esta forma basta solo conseguir dar órdenes a la base del transistor, a través de una débil polarización, para conseguir el paso de una gran corriente entre emisor – colector. La gran ventaje en este caso, con respecto a un Relé mecánico, es que el transistor no posee contactos ni resortes o mecanismos que se deterioren con el tiempo y la temperatura y que fácilmente pierden sus cualidades iniciales. Basado en este principio, el transistor tiene un amplio campo de aplicación en el automóvil y un ejemplo de ello es el sistema de encendido, como se muestra en la figura La corriente principal proviene de la batería, chapa de contacto y emisor (E) del transistor. i los contactos del ruptor se encuentran abiertos, interrumpiendo el paso de corriente de base (B), de modo que el transistor queda bloqueado. Cuando los contactos del ruptor se unen polarizando a masa (corriente negativa) la base (B) del transistor, entonces éste se vuelve conductor, dando paso a la corriente de emisor (E) a colector (C), hasta el arrollamiento primario de la bobina de encendido. Este se alimenta y cuando se produce una nueva separación de los contactos del ruptor, el transistor se bloquea y se induce una corriente de alta tensión en el arrollamiento secundario (no se muestra en la figura) de la bobina de encendido, lo que produce el salto de la chispa en la bujía. En el caso de la figura, se observa que el transistor trabaja como un Relé, porque una pequeña corriente de base (B) permite el paso de una gran corriente entre emisor (E) y colector (C). 43
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 44 El transistor permanece bloqueado hasta que se polarice la base del mismo y circule una pequeña corriente de base, la cual controla el transistor y lo vuelve conductor “encendiendo la ampolleta”. b) Como Amplificador: Estos se utilizan cuando se trata de recibir señales procedentes de sensores o captadores, los cuales trabajan con señales muy bajas. Para que estas señales puedan ser incorporadas a dispositivos electrónicos, tales como: módulos de encendido, unidad de control electrónica de inyección u otro microprocesador, deben amplificar las señales. En resumen un amplificador es un dispositivo por medio del cual una débil corriente producida por una fuente, hace provocar una fuerte corriente en la salida. En la fig se muestra un ejemplo simplificado de cómo un transistor puede realizar las funciones de un amplificador. 44
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 45 Canal N Enriquecimiento Canal P Dispositivo de Fuerza instalado Canal N (MOSFET) Transistores de Deflexión Efecto de Canal P Campo MESFET Dispositivo de TRANSISTOR Puerta de Unión JFET NPN Transistores Bipolares PNP FORMA DE PROBAR UN TRANSISTOR BIPOLAR 1º) Utilizando el libro ECG 2º) Utilizando un multitester: Por ejemplo si no se conoce nada del TRX, entonces se le asignan numeros o letras a los pines del TRX, luego se construye una tabla de la siguiente forma; Sonda positiva _ _ _ 1 2 Sonda negativa 3 + 1 _ 0,172 inf + 2 0,166 _ inf + 3 inf 0,788 _ realizadas las mediciones ( con el tester en escala de ohms), llenar los recuadros en blanco En este caso la base se encuentra en el pin 2 ( ya que es común para pin 1 y 3), el emisor es el pin 3, (ya que 0,788>0,172), considerando la siguiente relación Resistencia base emisor > resistencia base colector 45
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 46 Transistor Darlington 46
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 47 En electrónica, el transistor Darlington es un dispositivo semiconductor que combina dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo. La configuración (originalmente realizada con dos transistores separados) fue inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres transistores sobre un chip fue patentada por él, pero no la idea de poner un número arbitrario de transistores que originaría la idea moderna de circuito integrado. Comportamiento Esta configuración sirve para que el dispositivo sea capaz de proporcionar una gran ganancia de corriente y, al poder estar todo integrado, requiere menos espacio que dos transistores normales en la misma configuración. La ganancia total del Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. Un dispositivo típico tiene una ganancia en corriente de 1000 o superior. También tiene un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable. La tensión base-emisor también es mayor, siendo la suma de ambas tensiones base-emisor, y para transistores de silicio es superior a 1.2V. •En resumen se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes (corrientes grandes), con corrientes muy pequeñas. Algunos códigos de circuitos integrados con configuración Darlington son: NTE2077, NTE2078, NTE2084, NTE2079, NTE2082, NTE2083, NTE2087 y NTE2088. El TIP120 es un ejemplo de par Darlington, tiene un encapsulado del tipo TO220 como el de la figura. 47
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 48 TIRISTORES: Son dispositivos semiconductores que tienen tres terminales (conectores), una corriente débil en una de sus terminales (compuerta) permite que una corriente mucho mayor fluya a través de los otros dos conductores. La corriente controlada está encendida o apagada; estos no amplifican señales como los transistores, sino que actúan como interruptores de estado sólido. Existen dos familias: 48
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 49 a) Rectificador controlado de Silicio (S.C.R.): Éste es similar a un transistor bipolar con una cuarta capa, como lo muestra el dibujo siguiente (configuración interna) Funcionamiento de un SCR: Si el ánodo se hace más positivo que el cátodo en un tiristor, las uniones externas (dos) se polarizan, sin embargo la unión P-N del centro se polariza de forma inversa y la corriente no puede fluir. Una corriente pequeña en la compuerta polariza la unión P-N del centro permitiendo que una corriente mucho mayor fluya a través del dispositivo. La ampolleta solo funciona cuando el interruptor se cierra y circula una pequeña corriente, que es limitada por esta resistencia,(R). 49
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 50 La gráfica siguiente nos muestra el comportamiento de un SCR, para profundizar el funcionamiento del SCR es conveniente observar su curva característica: Puede conducir de - 1 [A] hasta más de 2500 [A] De acuerdo a la gráfica y observando se ve que existe una característica de bloqueo en el momento que pasa la corriente (polarización directa), que viene presentado por la letra A, aquí existe un crecimiento de la tensión directa sin que el SCR permita el paso de la corriente; pero cuando este alcanza un punto determinado conocido con el nombre de tensión de operación (VBo), el tiristor SCR permite el paso de la corriente representado por la letra B, con una línea ascendente. 50
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 51 Cuando la corriente directa desciende su valor bajo el punto C, llamado o conocido como corriente de mantenimiento o de retención (IH), el SCR se bloquea y por consiguiente deja de conducir. En el sentido inverso el SCR se comporta como un diodo normal. La forma más efectiva para apagar un SCR es reducir la corriente de ánodo bajo el valor de (IH) o bajar el voltaje bajo el valor (VX), la primera con una resistencia y la segunda con una fuente variable. A continuación se muestra un diagrama en bloque de un circuito SCR: 51
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 52 Valores típicos: 2 N 4 4 4 1 Posee una corriente de mantenimiento Una corriente de disparo de Una tensión de bloqueo directa de Una tensión de disparo típica de : : : : 6 mA 10 mA 50 V 0.75 V Estos valores indican que la fuente que alimenta al SCR tiene que ser capaz de suministrar al menos 10 mA a 0,75 V. para que el SCR se mantenga cerrado. Con respecto a la corriente de mantenimiento, si disminuye a menos de 6 mA el SCR se convertirá en un circuito abierto. La tensión de bloqueo de 50 V, nos indica que a menos de este valor el SCR no puede cerrarse y la única forma de hacerlo sería aplicando un pulso a la compuerta. Aplicaciones del SCR : Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes: • Controles de relevador. • Circuitos de retardo de tiempo. • Fuentes de alimentación reguladas. • Interruptores estáticos. • Controles de motores. • Recortadores. • Inversores. • Cicloconversores. • Cargadores de baterías. • Circuitos de protección. • Controles de calefacctión. • Controles de fase. En la figura se muestra un interruptor estático es serie de medida de media onda. Si el interruptor está cerrado, como se presenta en la figura (b), la corriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada, encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente de compuerta. Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor de conducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida y muy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal de entrada el SCR se apagará, debido a que el ánodo es negativo respecto al cátodo. Se incluye al diodo D1 para prevenir una inversión en la corriente de compuerta. Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se muestran en la figura séte (b). El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la carga. Si se desea conducción a menos de 180º, el interruptor se puede cerrar en cualquier desplazamiento de fase durante la parte 52
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 53 positiva de la señal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético, dependiendo de la aplicación. a) b) En la figura anterior (a) se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción entre 90º y 180º. El circuito es similar al de la figura anterior (a), con excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La combinación de las resistencias R y R1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 está en su valor máximo, la corriente de compuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de encendido. Conforme R1 disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de entrada. De esta forma se puede establecer la corriente de compuerta requerida para el encendido en cualquier punto entre 0º y 90º, como se muestra en la figura sgte (b). Si R1es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acción que la obtenida del circuito de la figura anterior (b), el control no puede extenderse más allá de un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valor máximo en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. A esta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control de fase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlar la corriente rms y, por tanto, la potencia se dirige hacia la carga. 53
    • Electrónica Aplicada a) Unidad I Componentes Electrónicos 54 b) 54
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 55 b) TRIAC ( triode alternating current): Este dispositivo es equivalente a dos SCR conectados en paralelo en oposición como lo muestran las siguientes figuras: Símbolo: Estos dispositivos trabajan de forma bilateral tanto en el semiciclo positivo como en el semiciclo negativo y pueden controlar tanto motores como otros dispositivos eléctricos. 55
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 56 Termistor Símbolo genérico de un termistor. Símbolo NTC. Símbolo PTC. Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:  NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo  PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo Son elementos PTC los que la resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura, y elementos NTC los que la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. 56
    • Electrónica Aplicada Unidad I Componentes Electrónicos 57 57
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada UNIDAD II Unidad II 58 FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA INTEGRADA INTRODUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL TIMER 555 El temporizador 555 fue introducido al mercado en el año 1971, (hace más de 30 años..), por la empresa Signetics Corporation con el nombre: SE555 / NE555 y fue llamado “The IC Time Machine” (el circuito integrado máquina del tiempo), que en esos momentos era el único integrado de su tipo disponible. Este C.I. fue para los experimentados y aficionados un dispositivo barato con el cual podían hacer muchos proyectos. Este C.I. es tan versátil que se puede utilizar para modular una señal en frecuencia modulada (F.M.). En estos días se fabrica una versión CMOS del 555 original, como el motorota MC1455, que es muy popular. Pero la versión original sigue produciéndose con mejoras y algunas variaciones a sus circuitos internos (claro está para hacerlo mejor). El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador. Sus características más destacables son: • o o • o o o o o • Temporización desde microsegundos hasta horas. Modos de funcionamiento: Monoestable. Astable. Aplicaciones: Temporizador. Oscilador. Divisor de frecuencia. Modulador de frecuencia. Generador de señales triangulares. Pasemos ahora a mostrar las especificaciones generales del 555 (Vc = disparo): Especificaciones generales del 555 Vcc Frecuencia máxima (Astable) Nivel de tensión Vc (medio) Error de frecuencia (Astable) Error de temporización (Monoestable) Máximo valor de Ra + Rb Valor mínimo de Ra Valor mínimo de Rb 5 – Volt 10 – Volt 15 – Volt 500 kHz a 2 MHz 3,3 V 6,6 V 10,0 V ~5% ~5% ~5% ~1% ~1% ~1% 3,4 Meg 5k 3k 6,2 Meg 5k 3k Notas Varía con el Mfg y el diseño Nominal 10 Meg 5k 3k Temperatura 25 ºC Temperatura 25 ºC 58
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Reset VH / VL (pin 4) 0,4 / < 0,3 Corriente de salida (pin 3) ~200 ma Unidad II 59 0,4 / < 0,3 ~200 ma 0,4 / < 0,3 ~200 ma A continuación podemos ver la configuración de pines o patillas. Se puede ver en la figura, que independientemente del encapsulado la numeración de los pines es la misma (en sentido antihorario). El 556 es un C.I. con dos temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines y el 558 es un C.I. con 4 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines. PIN 1 2 3 4 5 Descripción y conexión de los pines del Timer 555: Tierra o masa Disparo: Es en este pin, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 esta configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo, la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que este conectado como monostable, o astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1,7 [V]. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 [V] con la ayuda del pin 4 (reset). Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0,7 [V], pone el pin de salida 3 a nivel bajo. Si por algún motivo este pin no se utiliza hay que conectarlo a Vcc para evitar que el 555 se resetee. Control de Voltaje: Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje es este pin puede variar casi desde Vcc. (en la práctica Vcc menos 1 [V]) hasta casi 0 [V] (app. 2 [V]). El voltaje aplicado a este pin puede variar entre un 45 y un 90% de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza en la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1,7 [V] hasta Vcc. Si este pin no se utiliza se recomienda instalar un condensador de 0,01 µF para evitar las interferencias. 59
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada 6 7 8 Unidad II 60 Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida del (pin 3) a nivel bajo. Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. V+ : También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va desde 4,5 [V] hasta 16 [V] (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan a 18 [V]. A continuación se mostrarán los modos de funcionamiento que posee este circuito integrado. En los esquemas se hace referencia al patillaje del elemento, al igual que a las entradas y salidas de cada montaje. 60
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 61 FUNCIONAMIENTO MONOSTABLE DEL TIMER 555 En este caso el circuito entrega a su salida un pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración). El esquema de conexión es el mostrado en la figura sgte Cuando la señal de disparo está a nivel alto (Ej. 5 [V] con Vcc 5 [V]) la salida se mantiene a nivel bajo (0 [V]), que es el estado de reposo. Una vez se produce el flanco descendente de la señal de disparo y se pasa por el valor de disparo, la salida se mantiene a nivel alto (Vcc) hasta transcurrido el tiempo determinado por la ecuación: T = 1.1 * Ra * C (en segundos) Donde: T = tiempo en [ms] Ra = Resistencia [kΩ] C = Capacidad del condensador [μF] Por ejemplo: En un circuito en condición monostable, se tiene una resistencia de 22 [kΩ] y la capacidad del condensador es de 0,068 [μF]. Determinar el tiempo de ancho de pulso, que emite el timer 555. T = 1,1 * (22 [kΩ]) * (0,068 [μF]) = 1,65 [ms] Es recomendable, para no tener problemas de sincronización que el flanco de bajada de la señal de disparo sea de una pendiente elevada, pasando lo más rápidamente posible a un nivel bajo (idealmente 0 [V]). Observe que es necesario que la señal de disparo, sea de nivel bajo y de muy corta duración en el pin 2 del C.I. para iniciar la señal de salida. NOTA: en el modo monoestable, el disparo debería ser puesto nuevamente a nivel alto antes que termine la temporización. 61
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 62 OPERACION DEL TIMER 555 COMO MONOESTABLE Funcionamiento: • Cuando la señal que pasa por trigger baja de 1/3 Vcc, el condensador comienza su proceso de carga puesto que el transistor interno esta con su base desenergizada. Salida alta. • El condensador esta conectado al pin 6 (umbral) y cuando este alcanza un valor de 2/3 Vcc, internamente se activa el comparador B, se descarga el condensador y la salida del timer es cero. • El tiempo en que la salida es alta depende del tiempo de carga del condensador. T = 1,1×R×C FUNCIONAMIENTO ASTABLE DEL TIMER 555 Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración dependen de los valores de Ra y Rb. La figura siguiente muestra el esquema y comportamiento gráfico del timer 555 en función Astable o Biestable. 62
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 63 En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia: f = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)] La señal cuadrada tendrá como valor alto Vcc (aproximadamente) y como valor bajo 0 [V]. Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo se deben aplicar las fórmulas: • • Salida a nivel alto: T1 = 0.693*(Ra+Rb)*C Salida a nivel bajo: T2 = 0.693*Rb*C La salida es una onda rectangular, como la constante de tiempo de carga es mayor que la de descarga, la salida no es simétrica. Operación del timer 555 como astable (biestable): • Posee 2 estados de estabilidad. • El objetivo es determinar los tiempos de cada estado de estabilidad en función de la carga y descarga de un condensador. • El ejemplo de un 555 como astable es el funcionamiento de un reloj. 63
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada • • • • • • • Unidad II 64 El funcionamiento interno del integrado sigue siendo el mismo, lo que cambia son las conexiones externas. La conexión de trigger y umbral están unidas y dependen solo del voltaje y del condensador. Cuando el condensador se esta cargando y llega a un voltaje 2/3 Vcc, la salida del integrado se hace cero, la base del transistor interno se energiza y el condensador se descarga a través de RB por el pin 7. Una vez que el voltaje del condensador llegue a 1/3 Vcc, se activa el comparador A pues la señal de trigger baja de 1/3 Vcc. La base del transistor se desenergiza por lo que el condensador ahora comienza a cargarse pero a través de las resistencias RA y RB. En este caso la salida del integrado es Vcc. El NE555 se alimenta con tensiones que van desde los 4.5 a los 18 voltios, aunque existen versiones no muy fáciles de conseguir que se alimentan con solo 2 voltios. Si la tensión de alimentación se fija en 5.0 voltios, sus señales de salida son compatibles con la lógica de familia TTL. 64
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 65 65
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 66 CONDENSADORES Un condensador está constituido por dos o más placas, las cuales están separadas entre si por un material dieléctrico (aislante). Cuando se aplica un voltaje a través de las placas del condensador, la corriente fluye de una placa 66
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 67 hacia la otra, pasando a través de la fuente de voltaje. En términos ideales, no existe un flujo de corriente a través del dieléctrico, que separa las placas del condensador. La carga, en el condensador, se almacena en el campo eléctrico que establecen las placas cargadas opuestamente. Si el voltaje aplicado es de corriente continua DC, el condensador se carga con el valor del voltaje aplicado. Si el voltaje aplicado es de corriente alterna AC, el condensador sigue esencialmente los cambios de polaridad del voltaje aplicado, cargándose y descargándose alternativamente en direcciones opuestas, cada medio ciclo (semiciclo), con ello se establece efectivamente el flujo de corriente alterna. Función y Clasificación: Los condensadores son dispositivos que tienen la propiedad de almacenar energía eléctrica, siendo de vital importancia en los circuitos electrónicos. La energía eléctrica almacenada por el condensador, es retenida en el material dieléctrico. Los materiales dieléctricos, normalmente utilizados, son: aire, papel encerado, materiales plásticos, mica y materiales cerámicos. Para el almacenamiento de la carga, las moléculas dieléctricas, pueden ser consideradas en forma equivalente al electroestático de barras imantadas, pero teniendo polos eléctricos positivo y negativo. Cuando el condensador esta descargado, los polos de las moléculas se anulan unos con otros, de manera tal que no existe energía almacenada. Cuando se aplica un voltaje estable, entre las placas del condensador, la fuerza eléctrica actúa sobre las moléculas, alineándose con el campo eléctrico, apuntando en la misma dirección de éste. En este instante, la placa que esta conectada al polo positivo de la fuente, tiene deficiencia de electrones, mientras que la placa que esta conectada al polo negativo, se encuentra con un exceso de éstos. Cuando se desconecta la fuente, las moléculas del dieléctrico permanecen en un estado tensión y, esta energía es almacenada dentro del condensador. Después de haber desconectado la fuente de alimentación del condensador, puede medirse una diferencia de potencial entre los terminales de éste. Dicho diferencial, se mantiene constante por un determinado período de tiempo, el cual puede variar entre unos minutos y varios días. La permanencia de la diferencial de potencial depende de la resistencia de fuga del dieléctrico. Los condensadores que poseen un valor capacitivo elevado, deben ser descargados al momento de manipular, de otro modo el usuario se expone a sufrir una descarga eléctrica. Además, en el caso de reemplazar un condensador, se debe tener en cuenta la capacidad de éste, ya que si funciona fuera de su régimen, existe el riesgo de que estalle, debido a la posibilidad de generación de gas en su interior. En el caso de condensadores, la propiedad de almacenar carga eléctrica se conoce como capacidad “C”. La unidad que permite cuantificar la capacidad de un condensador es el Faradio (F). El Faradio es una unidad de capacidad muy grande y, en la práctica, se utilizan submúltiplos, tales como: microfaradio [μF], nanofaradio [ηF] y picofaradio [ρF]. 1 μF = 10 1 ηF = 10 -6 -9 F = 0,000001 F = 0,000000001 67
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada 1 ρF = 10 -12 Unidad II 68 F = 0,000000000001 68
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 69 Matemáticamente, la capacidad de un condensador, esta dada por la siguiente expresión: C=Q/V Donde : C = Capacidad, se mide en Faradio (F) Q = Carga almacenada, se mide en Coloumb (Q) V = Diferencia de potencial, se mide en Volt (V) Normalmente, los valores de la capacidad de un condensador vienen impresos en el propio componente. Cuando la impresión es un número entero del 1 al 1000, la unidad de medida es el “ρF”, por el contrario, si la impresión comprende números decimales (0,001 – 0,047), la unidad de medida es el “μF”. En el caso de condensadores electrolíticos, la capacidad del condensador viene impresa en faradio. Carga y descarga de condensadores: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Se tiene un circuito con un conmutador que varia su posición de a – b Se asume un condensador totalmente descargado t1 = Tiempo inicial en que el switch se conecta al punto “a” Al conectar el circuito la corriente es máxima y posteriormente decrece El voltaje en el condensador comienza desde cero hasta que iguala el voltaje de la fuente Cuando el voltaje del condensador se iguala al voltaje de la fuente, el voltaje en la resistencia se hace cero En t2 se cambia al conectar a la posición “b” 69
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada Unidad II 70 Tiempo de carga y descarga de un condensador: T = 4,6 × δ δ=R×C δ = Constante de tiempo, tiempo que demora el condensador en cargarse a un 63% de su valor máximo, se mide en segundos. Ejemplo: ¿Cuánto demora un condensador de100 µF en cargarse y que esta conectado a una resistencia de 10 KΩ? Se puede observar prácticamente de dos formas: • • Colocar un amperímetro en serie y observar el momento donde la corriente deja de circular. (según el grafico cuando la corriente deja de circular, es porque el condensador ya se cargo) Se puede colocar un voltímetro en paralelo con la resistencia y observar cuando el voltaje llegue a cero. 70
    • Electrónica Aplicada Fundamentos de Electrónica Integrada • • Unidad II 71 Al hacerlo de esa forma se observara que jamás llegara a cero, pues siempre habrá una pequeña corriente de fuga que pasa por el voltímetro. Es recomendable hacerlo con un amperímetro y mas aun con un amperímetro análogo. Conclusión: Podemos controlar el tiempo de carga y descarga de un condensador controlando el valor de resistencia y capacidad del condensador. 71
    • Electrónica aplicada UNIDAD III FUNDAMENTOS DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL Existen dos familias que trabajan dentro de los circuitos integrados, dos tecnologías ampliamente utilizadas:  TTL: Corresponde a la familia 7400, fue introducida por la Texas Instruments en el año 1964. Estos circuitos han ido evolucionando, conduciendo a nuevas subfamilias las cuales están disponibles en la National Semiconductor. - Lógica Lógica Lógica Lógica Lógica Lógica TTL TTL TTL TTL TTL TTL standard baja potencia Schohky Schohky baja potencia Schohky avanzada Schohky avanzada baja potencia 74AL504 7404 74L04 74504 74L504 74A504 Las características de tensión en todas las subfamilias TTL son las mismas (Vcc + 5 [V]), sin embargo, cambian sus características de velocidad y de potencia. Las marcas en los circuitos integrados TTL varían según el fabricante, a continuación se muestra una figura de ejemplo: Una característica importante de las entradas TTL es que si no se conectan (flotante), el dispositivo asume un nivel alto designado con un 1.  Circuitos integrados CMOS (Metal Óxido complementario): Fue introducido por la RCA en el año 1968, su popularidad deriva a que tienen un extremado bajo consumo de potencia, alta inmunidad al ruido y pueden funcionar con una fuente económica no regulada. Los fabricantes producen 3 familias de circuitos integrados CMOS, que incluyen la antigua serie o familia 4000, la familia 74C00 y la familia 74HC00. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 72
    • Electrónica aplicada A continuación se muestra un ejemplo para un código usado para un CMOS: CD 4028 B E Código del fabricante Disp. plástico Función del dispositivo Código del Fabricante para CMOS digital Los fabricantes sugieren que al trabajar con dispositivos CMOS, se consideren los siguientes datos; para evitar daños provenientes de descargas estáticas y tensiones transitorias, se debe seguir el siguiente procedimiento: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Almacenar los circuitos integrados CMOS en espumas conductoras especiales. Desconectar la alimentación cuando se vayan a quitar los CI o se cambien las conexiones en un circuito impreso. Asegurar que las señales de entrada no excedan la tensiones de la fuente de alimentación. Desconectar las señales de entrada antes de desconectar la alimentación del circuito Conectar todas las entradas no utilizadas al polo positivo o tierra de la fuente de alimentación No manipular el dispositivo, sólo usando los elementos correspondientes (guantes) Circuitos integrados digital (compuertas lógicas) La compuerta lógica es un elemento básico en los sistemas digitales. Las compuertas lógicas operan con números binarios. Todos los volts usados en las compuertas serán altos o bajos. Un alto volt significara un 1 binario y un bajo volt significara un 0 binario. No importa lo complicado que sean los circuitos integrados digitales todos ellos están hechos a partir de bloques de construcción sencillos, llamados compuertas. Todos los sistemas digitales se construyen a partir de tres compuertas lógicas básicas, que son: 1. La compuerta AND 2. La compuerta OR 3. La compuerta NOT Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 73
    • Electrónica aplicada Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 74
    • Electrónica aplicada a) Compuerta AND: La compuerta AND llamada “Todo o nada” en los esquemas se muestran su símbolo y el circuito AND usando conmutadores: Símbolo Circuito Análogo Tabla de Verdad La expresión Booleana que define una compuerta o condición AND, es la siguiente: S = A∗ B b) Compuerta OR: La compuerta OR llamada “Cualquiera a todo” en los esquemas se muestran su símbolo y el circuito OR usando conmutadores: Símbolo Circuito Análogo Tabla de Verdad La expresión Booleana que define una compuerta o condición lógica OR, es la siguiente: S = A+ B c) Compuerta NOT: La compuerta NOT se conoce también como un inversor. La compuerta NOT tiene solamente una entrada y una salida, en los esquemas se muestran su símbolo y el circuito NOT usando conmutadores: Símbolo Circuito Análogo Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz Tabla de Verdad 75
    • Electrónica aplicada La expresión Booleana que define una compuerta o condición lógica NOT es la siguiente: A= A Las leyes que condicionan una compuerta lógica NOT son las que se definen: 0 =1 Si A = 1, entonces A = 0 Si A = 0, entonces A = 1 Combinaciones de compuertas: Circuito Integral Digital Expresión Booleana Tabla de Verdad Circuito Integral Digital Expresión Booleana Tabla de Verdad Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 76
    • Electrónica aplicada Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 77
    • Electrónica aplicada Dada las siguientes expresiones Booleanas: • • • S = ABC + ABC + ABC S = A BC + AB C + ABC S = A BC + AB + ABC + AB C Realizar: • • Los circuitos lógicos combinacionales La tabla de verdad Otras compuertas lógicas: Se pueden hacer otras cuatro compuertas lógicas a partir de las fundamentales y son: a) b) c) d) a) Compuerta Compuerta Compuerta Compuerta NAND NOR OR EXCLUSIVA NOR EXCLUSIVA Compuerta NAND: Esta se puede alterar a través de una compuerta AND y una compuerta NOT, como se ve en el esquema: Combinación Circuito Análogo Símbolo Tabla de Verdad Expresión Booleana Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 78
    • Electrónica aplicada b) Compuerta NOR: Dicha compuerta se obtiene a través de una compuerta OR y una compuerta NOT, como se ve en la siguiente figura: Combinación Circuito Análogo Símbolo Tabla de Verdad Expresión Booleana Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 79
    • Electrónica aplicada d) Compuerta OR exclusiva: La compuerta OR exclusiva se conoce como la compuerta “alguno para no todos”, el termino OR exclusivo se abrevia X OR. La siguiente figura muestra el circuito lógico que realiza la función X OR: Combinación Símbolo Tabla de Verdad Expresión Booleana Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 80
    • Electrónica aplicada d) Compuerta NOR Exclusiva: También se llama X NOR la compuerta NOR produce la expresión A ⊕ B . Al invertir esta, se forma la expresión Booleana: Combinación Símbolo Tabla de Verdad Expresión Booleana Las compuertas que se han nombrado se denominan circuitos lógicos ya que toman decisiones lógicas, las compuertas tienen con frecuencia mas de dos entradas; un aumento de ellas (N° de entradas) implica un mayor poder de toma de decisiones. Las compuertas se utilizan individualmente o conectadas para formar una red. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 81
    • Electrónica aplicada Circuitos lógicos combinacionales: Estos responden a los datos que entran y pueden ser (0 ó 1) Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 82
    • Electrónica aplicada SISTEMAS LÓGICOS SECUENCIALES Un ejemplo de este sistema se muestra a través del siguiente diagrama en bloques: a) Unidades Electrónicas de Control. Estas tienen la función de ser “el cerebro”, para comandar los diferentes elementos en el automóvil. Estos elementos reciben información de sensores y luego pueden calcular y elegir en el mínimo de tiempo, la decisión más conveniente. Esquema del principio de mando de una unidad electrónica de control: Todo aquello que deba controlarse en cuyo funcionamiento pueden producirse alternativas puede ser regulado con gran facilidad por una unidad electrónica de control. El procedimiento externo se muestra a continuación: Con el tiempo se pretende llegar a construir un automóvil capaz de conseguir una centralización total de las órdenes cursadas al automóvil. Dentro del campo de la electrónica existen los dispositivos para lograr estos fines sin mayores problemas. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 83
    • Electrónica aplicada La pregunta o inquietud que resalta es ¿Cómo una máquina con dispositivos electrónicos puede tomar decisiones?, la respuesta no es simple, sin embargo se puede hacer una analogía con el pensamiento humano: Unidad de Control Electrico. ECU La unidad de control recibe informaciones de los diferentes captadores y sondas, las analiza en función de su programa y gobierna los diferentes órganos de encendido e inyección. Se puede nombrar como: ECC, ECM, ECU, ECCS, CPU, etc. La ECU utiliza microprocesadores para reunir información, procesarla y enviar señales a los transistores excitados para que activen los diferentes circuitos actuadores. Los tres procesadores principales son el RAM (memoria temporal), el ROM (programa básico de computadora) y el PROM (programa de sintonía fina), estos tres microprocesadores son el corazón de la CPU. Módulo Electrónico de Control El “electronic control module”(modulo electrónico de control), o ECM, es el cerebro del sistema de inyección de combustible y está dividido en las siguientes memorias: la ROM; la RAM y en algunos tipos el PROM. *La ROM, o memoria sólo para leer, es la sección del ECM que contiene el conjunto principal de instrucciones que sigue la computadora. Esta es la sección que dice: “cuando veo que esto sucede, tengo que hacerlo que suceda”. El microprocesador que contiene estas instrucciones de la ROM es un chip no volátil. Esto significa que el programa diseñado en él no se puede borrar al desconectar la energía. *La RAM, o memoria de acceso aleatorio, es la sección que tiene tres funciones principales en el ECM. La primera función actúa como la libreta de apuntes del ECM; siempre que se necesite hacer un cálculo matemático, el ECM utiliza la RAM. La segunda función es almacenar información en el sistema multiplicador de aprendizaje a bloques (BLM) cuando el motor está apagado o funciona en lazo abierto. La tercera función es almacenar los códigos de diagnóstico cuando se ha detectado una falla del sistema. Estos códigos son almacenados por cincuenta rearranques del motor o hasta que la potencia de la batería se retira del ECM. A diferencia del ROM y PROM, los chips del RAM son memorias volátiles *El PROM, o memoria programable soló para leer, es la sección de calibración del chip en el ECM. El PROM funciona junto con el ROM para las funciones del ajuste fino del control de Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 84
    • Electrónica aplicada combustible y del tiempo de encendido para la aplicación específica. El PROM es también una memoria no volátil. Contiene la información acerca del tamaño del motor, tipo de transmisión, tamaño y peso del auto, resistencia de rodamiento, coeficiente de arrastre y relación final de tracción. La ECU realiza las siguientes funciones: BLOQUE PUERTA E/S FUNCION puerta E/S es la abreviatura de puerta de entrada-salida en que el microprocesador convierte señales de varios sensores en códigos, además convierte los resultados de operación en señales para el funcionamiento del inyector, los transistores de energía, etc. MEMORIA ROM (memoria de lectura / exclusiva y RAM (memoria de acceso aleatorio) son las memorias del microcomputador. La ROM almacena los datos ideales para el enriquecimiento de combustible, puesta a punto del encendido, etc., y el computador solo puede leer estos datos de la memoria. La RAM permite los resultados de calculo de varios datos enviados desde los sensores por ser almacenados temporalmente. Los datos previamente almacenados pueden ser borrados de esta memoria. CPU CPU (unidad de procesamiento central) es el cerebro del sistema total del microcomputador y controla las distintas funciones del computador. Procesa las señales enviadas desde la puerta E/S mientras controla la ROM y la RAM, además transmite los resultados computados de la puerta E/S al inyector, transistor de potencia y así sucesivamente. ¿Que es un control digital? Otra característica del computador es que su unidad de control corresponde a un sistema de control digital. La resistencia del sensor de temperatura de enfriamiento varía constantemente con la temperatura, y este tipo de señal se denomina “análoga”. Además de esta señal el ECU emplea señales análogas del medidor de flujo de aire y otros. Mientras tanto la señal del sensor del ángulo del giro del cigüeñal, por ejemplo, no es continua, es discontinua y se denomina señal digital. En términos generales, la señal digital representa valores discontinuos de un punto a otro, y su precisión es más baja que aquella de la señal análoga. Sin embargo, la precisión puede aumentarse, reduciendo la separación entre los puntos de muestreo. Las razones principales para adoptar entre sistema de control digital son las siguientes: La unidad de control puede controlar un sistema complicado. *La unidad de control puede hacerse compacta. *Puesto que la señal está compuesta de pulsaciones ON-OFF, el funcionamiento de la ECU puede limitarse al funcionamiento 0,1 y sus combinaciones; lo anterior lleva a reducidos errores de computación y buena durabilidad. En el caso del tipo análogo, el ruido eléctrico y las diferentes características de semi-conductor en sí, por ejemplo, la resistencia interna del transistor, es diferente entre los mismos modelos que fácilmente pueden causar error. Con el objeto de cambiar la señal análoga a digital la unidad de control utiliza el convertidor AD (análogo – digital). 85 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz
    • Electrónica aplicada FUNCIONES DE LA ECU La ECU es capaz de controlar diversas funciones. Además es capaz de proporcionar un control más preciso y sofisticado. Las funciones que pueden ser controladas por la ECU son las siguientes: Control de inyección de combustible. Este control es básicamente idéntico a aquel del sistema E.F.I. sin embargo la ECU proporciona un control más minucioso. Por ejemplo, se utiliza un sistema de control de aprendizaje para mantener en todo momento una proporción óptima de mezcla ralentí. Control de puesta a punto del encendido. Corresponde a una función nueva. La puesta a punto óptima del encendido es determinada al recibir las señales de distintos sensores. Control bomba de combustible. La ECU controla, el voltaje aplicado a la bomba de combustible, este reduce el voltaje aplicado a la bomba de combustible para así reducir el ruido de la bomba de combustible y el consumo de energía eléctrica en ralentí. Auto-Diagnostico. Verifica si los sistemas de señales de entrada y de salida hacia y desde la unidad de control son normales. Control de régimen de marcha en vacío. Recibe señales de diversos sensores y regula el motor a régimen de marcha en vacío óptimo de acuerdo a la carga del motor. Control Ralentí. Aumenta el régimen de marcha en vacío cuando el voltaje de la batería es bajo, o cuando hay muchos interruptores de carga accionados. Control regulador de presión Aumenta temporalmente la presión de combustible cuando se pone en marcha el motor con elevada temperatura de refrigerante. Existe otro módulo además de la unidad de control. Control regulador de aire. En el sistema convencional el regulador de aire normalmente se excitaba con el interruptor de encendido en posición ON. En otros casos el regulador de aire es excitado sólo cuando la bomba de combustible está en funcionamiento, con el objeto de reducir el consumo de energía eléctrica. Otros. También se utiliza el control E.G.R. (recirculación de gas de escape), control A.V.I. (válvula indicadora de aire), etc. La unidad de almacenamiento tanto en discos como en cintas y en memoria de trabajo (RAM) es el Byte. Un Byte está constituido por 8 pulsos o señales, llamados bits (abreviatura de binary digit = dígito binario). Cada símbolo interpretable, que se puede almacenar en la computadora: letras del alfabeto, signos de puntuación, etc., está formado por un byte. La capacidad de almacenamiento (fijo o temporal) se mide de acuerdo a la cantidad de bytes que pueden contener los dispositivos, y suelen utilizarse las siguientes unidades de medida: Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 86
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    • Electrónica aplicada APUNTES VARIOS ( PRACTICOS) 1. Medicion de voltaje en sensor de temperatura (NTC) En frio = 3 Volts ( al hacer funcionar y dejar un rato , baja a 2,2 o 1,8 volts) Si la resitencia delsensor de tº es muy alta, el computador manda un mayor ancho de pulso, por lo tanto la mezcla que manda es muy rica y el motor se ahoga ( tira humo negro) En simulación: el motor parte cada vez mejor en la medida que se varia la resistencia y por ende la temperatura del motor. Sensor tº ntc; Temperatura alta  resistencia baja R aprox 3000 ohms a 20ºC y si la tº varia a 90ºC  resistencia = 250 ohms ( mide tº del agua del motor, llamado ECT) Motor frio 4,8 v Motor a 20ºC  12 v El ventilador funciona aproximadamente en los 98,87 ºC 2. Sensor CKP ( si no entrega señal, el motor no parte), entrega un VCA, es un sensor inductivo, su rango de medicion aprox 0,29 vca medicion de resistencia en la bobina = 1,6 ohms. 3. medicion en sensor TPS (v) motor detenido, con contacto, entonces debe medir 5v -5,8v- 0.4v ( 0,28( aleta cerrada) – 0,45(aleta abierta)) = voltaje en Valenti ( ohms) 4. Inyectores Multipunto, trabaja con 12 volts Monopunto, trabaja con otro voltaje ( 1 inyector) Entrada de combustible aprox a 45 psi Resistencia de inyector aprox 15 ohms, caso de multipunto puede ser de 13,7 ohms Si al medir el inyector , por ejemplo marca 5 v y deberia marcar 9 0 10 volts, entonces el inyector debe tener baja resistencia o sea esta defectuoso Nota: Un motor puede tener el IAT y el MAP juntos o no, en el segundo caso, los tienen separado, o sea el IAT en la tapa filtro de aire y el MAF adosado a la garganta. MAF: puede tener un hilo de alambre caliente, mide la cantidad de aire que entra al motor (actua por enfriamiento) tº =70 ºC En los motores bencineros, el inyector se mantiene un tiempo accionado. Sistema DIS entrega dos chispas Sistema tandem= 2 inyectores al mismo tiempo Sistema mixto = 4 inyectores al mismo tiempo 90 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz
    • Electrónica aplicada 5. Sonda de oxigeno: Motor en circuito cerrado = significa que el sensor de oxigeno esta trabajando bien Tipos: 4 cables  dos son para alimentación a calefactor ( 12 volts), otros 2 son del sensor 3 cables 1 tierra comun 2 cables entrada y salida del sensor 1 cable señal sensor y masa El voltaje en el sensor de Oxigeno, oscila entre 1000 mv y 0 mv 1000 mv ( mezcla rica) 500 mv ( si se mantiene a este rango, el sensor esta defectuoso) 0 mv ( mezcla pobre) (La señal que entrega el sensor de oxigeno oscila entre 0 y 1 volt) tiene un rango de 2000 mv Si se comprueba que la mezcla es pobre entonces la manguera del MAP puede estar rota MAP: señal del sensor de presion absolutadel multiple de admisión ECU: unidad de control electronica o ECM Factor de trabajo = (V. ancho de pulso) / (V.onda completa) Ancho de pulso Ejs Inyector 100 v 12 v Inyector cerradao Inyector abierto 0v OBD1: monitoreo sensores OBD2 : mem ram o cam ( encienden las luces de fallas) IAC = valvula de control de aire en valenti ( se mide con motor RUN) , solo entrega aire para el Valenti, o sea No entra aire por la toma principal. IAT : sensor de tº termocupla MAP : sensor de presion TPS : sensor de posición de la mariposa CKP : sensor de posición del cigüeñal ECT: tº refrigerante del motor ) sensor tº motor Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 91
    • Electrónica aplicada CANISTER: Acumula gases del estanque motor y luego los aprovecha el Claves de falla tipicas: DTC = codigo falla almacenada, FSS1= sensor de oxigeno En análisis, siempre medir tensión de positivo a tierra de batería Divisores de Tensión y Corriente Los divisores de Tensión se usan frecuentemente en el diseño de circuitos porque son útiles para generar un voltaje de referencia, para la polarización de los circuitos activos, y actuando como elementos de realimentación. Los divisores de corriente se ven con menos frecuencia, pero son lo suficientemente importantes como para que los estudiemos. Las ecuaciones para el divisor de tensión, en donde suponenos que no hay ninguna carga conectada a nuestro circuito se ven en la Figura 4. FIGURE 4. DIVISOR DE TENSION Las ecuaciones del divisor de corriente, suponiendo que la carga es sólamente R2, vienen dadas en la Figura 5. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 92
    • Electrónica aplicada FIGURE 5. DIVISOR DE CORRIENTE Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 93
    • Electrónica aplicada Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 94
    • Electrónica aplicada Sensores de temperatura PTC y NTC Los sensores de temperatura se aplican en varios lugares:- En el circuito del liquido refrigerante, para poder determinar la temperatura del motor a partir de la temperatura del liquido refrigerante.- en el canal de admisión para medir la temperatura del aire aspirado.- en el aceite del motor para medir la temperatura del aceite (opcional).- en el retorno del combustible para medir la temperatura del combustible (opcional). Sensor de temperatura del motor Esta montado en el circuito del liquido refrigerante, con el fin de determinar la temperatura del motor a partir de la temperatura del liquido refrigerante, Así es posible que el control del motor se adapte exactamente a la temperatura del servicio del motor. El margen de temperaturas se sitúa en -40....+130 ºC. Sensor de temperatura de aire Esta montado en el conductor de admisión. Al tenerse en cuenta la temperatura del aire se admisión es posible determinar con exactitud, en combinación con un sensor de presión de sobrealimentación, la masa de aire de aspirada. Ademas de ello se pueden adaptar los valores teóricos para los circuitos reguladores a la temperatura del aire (como ejemplo: retroalimentación de gases de escape, regulación de la presión de sobrealimentación). El margen de temperaturas se sitúa en -40ºC.......+120 ºC. Sensor de temperatura del aceite del motorLa señal del sensor de temperatura del aceite del motor se emplea para calcular los intervalos de servicio. El margen de temperaturas se sitúa en -40 .....+170 ºC. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 95
    • Electrónica aplicada Sensor de temperatura del combustible Este esta montado en la parte de baja presión. Al tenerse en cuenta la temperatura del combustible se puede calcular con exactitud que caudal de combustible se necesita. El margen de temperaturas se sitúa en -40......+120 ºC. Estructura y funcionamiento Los sensores de temperatura se ofrecen en diversas formas constructivas, según el campo de aplicación previsto. En un cuerpo esta montada una resistencia de medición dependiente de la temperatura. Esta cuenta con un coeficiente de temperatura negativo o positivo (NTC: Negative Temperature Coeficient; PTC: Positive Temperature Coeficient); o sea que su resistencia eléctrica disminuye o aumenta al subir la temperatura.La resistencia de medición forma parte de un circuito divisor de tensión que es abastecido con 5 V. La tensión que se mide en esta resistencia es, por tanto; dependiente de la temperatura. La misma se inscribe en un convertidor analogico-digital y representa una medida de la temperatura en el sensor. En la unidad de control del motor esta almacenada en memoria una curva característica que indica la temperatura correspondiente a cada valor de tensión. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 96
    • Electrónica aplicada Termopares y Termo- Resistencias Los sensores de temperatura mas comunes son constituidos por termopares y termoresistencias El termopar es un sensor extremadamente simple y fiable que esta constituido de dos materiales metálicos de naturaleza diversa unidos por dos uniones llamadas "unión fría" y "unión caliente". El grado de temperatura que detectan estas uniones genera una diferencia de potencial estrechamente dependiente de la naturaleza de los materiales. La termo-resistencia es un elemento pasivo constituido de un material metálico cuyo valor resistivo es estrechamente dependiente de la temperatura. Los estándar industriales utilizados se fabrican en platino o níquel con un valor resistivo de 100 Ohmnios a 0ºC DIN. La utilización de estos sensores de temperatura viene valorado en función del uso y del campo de temperatura. La instalación de estos sensores prevé normalmente la utilización de cables especiales para alta temperatura, vainas de protección, conexiones particulares, etc... SRC proyecta y produce termopares y termo-resistencias completamente ensambladas a todo tipo de accesorios; siendo estos sensores conformes a las normativas internacionales del sector. Guía del uso del sensor Consideraciones Termopares Termorresitencias Campo de temperatura Costo Sensibilidad Resist. a la vibración Estabilidad Dureza Salida -200 a 2000ºC poco costosa sensible en punta adaptable (ejec.MgO) poco estable robusto mV -200 a 850ºC muy costosa sens. total menor adaptación excelente poco robusto ohm Termopares Normalmente los termopares son construidos de modo que se adapten a las condiciones de trabajo. Los datos fundamentales para sacar el elemento termométrico aplicable son: Tipo de termopar, diámetro de los hilos y longitud. El campo de temperatura de los elementos termométricos viene dado por la tabla de calibración y tolerancias, mientras que el diámetro del hilo viene dado por la temperatura máxima de utilización y del tiempo de respuesta considerado. Si se coloca un cable de diámetro elevado la duración del elemento será mayor pero el tiempo de respuesta siempre será inferior. La longitud del elemento captador viene dada tanto en función del tipo de utilización y de la estructura del proceso de trabajo como por el tipo de protección del elemento termométrico. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 97
    • Electrónica aplicada Termopares encamisados El termopar blindado es un tipo avanzado que incorpora la vaina continua de protección exterior y un aislamiento de mineral (Oxido de magnesio comprimido), que lo hace mas duradero al no producirse el envejecimiento de los hilos del circuito, por no tener a alta temperatura, la presencia del oxigeno que lo oxida. Las vainas compactas y continuas de protección pueden ser en función de las temperaturas y ambientes (oxidantes, reductores, etc.) de cobre,inox. 304 L, inox. 316, refractario, inconel e incoloy, por lo que el termopar se denominara de la siguiente forma: El diámetro exterior en mm. El tipo de termopar (J,K,etc.) El tipo de protección. Para el sellado de las puntas frías se emplean los prensaestopas tipo F o bien obturaciones de Araldit. Para el sellado de las puntas calientes se emplean pastillas soldadas conectadas a la masa o bien aisladas de la misma. NOTA: Debe evitarse la penetración de la humedad, ya que el aislante es altamente higroscópico. SRC Fabrica termopares y termo-resistencias para cubrir todas las necesidades de control de temperatura. Las siguientes paginas describen todas las configuraciones físicas posibles (se describen las características de los modelos mas usados) Temperatura de funcionamiento de termopares y termo-resistencias Tipo T E J K N S R B W Tipo PT 100 NI 100 Material termopar Temperatura de func. ºC COBRE CONSTATAN CROMEL CONSTATAN HIERRO CONSTATAN NIQUEL CROMO-NIQUEL NIQUEL/CROMO/SILICIO-NIQUEL/SILICIO PLATINO10%RH-PLATINO PLATINO13%RH-PLATINO PLATINO30%RH-PLATINO6%RH TUNGSTENO-TUNGSTENO/RENIO26% 200 a 350ºC -150 a 800ºC -40 a 750ºC -150 a 1100ºC -150 a 1100ºc 0 a 1550ºC 0 a 1600ºC -600 a 1700ºC 0 a 2600ºC Material Termo-resistencia Temperatura de func. ºC PLATINO NIQUEL 850ºC 180ºC Los sensores indicados en las anteriores tablas conforman los siguientes estándares: TERMOPARES TERMORRESISTENCIAS IEC 584.1, UNI 7938, DIN IEC 584.1, ANSI 96.1, BS 4937 IEC 751, UNI 7937, DIN 43760, BS 1904 Tolerancias de termopares y termo-resistencias Termopares Tipo T Tolerancia Estándar Especial COBRE CONSTATAN 1,0 ºC O 0,75% 0,5ºC O 0,4% Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 98
    • Electrónica aplicada E J K N S R B W CROMEL CONSTATAN HIERRO CONSTATAN NIQUEL CROMO-NIQUEL NIQUEL/CROMO/SILICIO-NIQUEL/SILICIO PLATINO 10%RH-PLATINO PLATINO 10%RH-PLATINO PLATINO 30%RH-PLATINO 6%RH PLATINO 30%RH-PLATINO 26% 1,7ºC O 0,5% 2,2ºC O 0,75% 2,2ºC O 0,75% 2,2ºC O 0,75% 1,5ºC O 0,25% 1,5ºC O 0,25% 0,5% sobre 800ºC 4,5ºC a 425ºC 1,0% a 2320ºC 1,0ºC O 0,4% 1,1ºC O 0,4% ,1ºC O 0,4% 1,1ºC O 0,4% 0,6ºC O 0,1% 0,6ºC O 0,1% Sin establecer Sin establecer Termo-resistencias La termo-resistencia es el corazón sensible a la temperatura de cualquier termómetro de resistencia. Aparte de la forma de montaje, son sus características las que básicamente determinan las propiedades técnicas de medida del sensor. Construcción y funcionamiento Dependiendo de la forma de construcción, la parte bobinada de las termo-resistencias en forma de hilo o cinta de platino, sensible a la temperatura, va encapsulada en un cuerpo cerámico o de vidrio, o bien se encuentra como fina capa sobre una plaquita cerámica. Los terminales del elemento de medida están unidos a la parte resistiva activa de forma que resistan a las vibraciones. En el caso de las termo-resistencias múltiples, las bobinas respectivas se identifican por el diferente largo de los pares de terminales. El principio activo de las termo-resistencias es la modificación de su resistencia eléctrica, que varia según la temperatura a la que son sometidas. Como elemento extendido, la termo-resistencia recoge el valor medio de la temperatura existente a todo su largo. Características de la curva y estabilidad de la temperatura Todas las termo-resistencias de platino suministradas y montadas por SRC cumplen con los valores básicos y las desviaciones admitidas de la norma DIN IEC 751. Los valores DIN rigen para un valor nominal de 100 Ohmnios. La estabilidad de temperatura de la termo-resistencias con respecto a sus valores medidos asimismo cumple - incluso excede - las exigencias DIN IEC Selección de tipos y montaje Para obtener una medida de temperatura segura con termo-resistencias de platino, es necesario que sus características mecánicas y técnicas de medida (Tamaño, forma, resistencia a vibraciones, rango de temperatura, tiempo de respuesta, resistencia al aislamiento, etc.) sean las adecuadas para la clase de medida y las condiciones del lugar de aplicación. Aparte de la necesidad de seleccionar el modelo de termo-resistencia adecuado, es de especial importancia el montaje en el lugar donde se quiera medir. Ello requiere un alto grado de conocimiento, por lo que les aconsejamos el asesoramiento de nuestro técnico en aplicaciones. Termorresistencias Tipo Clase B Clase A Din B PT 100 CLASE B +/- 0,3ºC A 0ºC +/-0,15ºC +/-0,1ºC DIN 43760 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 99
    • Electrónica aplicada +/- 0,4ºC A 0ºC NI 100 DIN 43760 MOTORES PaP TEORIA Descripción: Un motor Paso a Paso (PaP en adelante) se diferencia de un motor convencional en que en este se puede posicionar su eje en posiciones fijas o pasos, pudiendo mantener la posición. Esta peculiaridad es debida a la construcción del motor en si, teniendo por un lado el rotor constituido por un imán permanente y por el otro el estator construido por bobinas, al alimentar estas bobinas se atraerá el polo del magnético puesto rotor con respecto al polo generado por la bobina y este permanecerá es esta posición atraído por el campo magnético de la bobina hasta que esta deje de generar el campo magnético y se active otra bobina haciendo avanzar o retroceder el rotor variando los campos magnéticos en torno al eje del motor y haciendo que este gire. Funcionamiento: Los motores PaP pueden ser de dos tipos, según se muestra en la siguiente imagen: Bipolar: Este tipo de motor lleva dos bobinados independientes el uno del otro, para controlar este motor se necesita invertir la polaridad de cada una de las bobinas en la secuencia adecuada, para esto necesitaremos usar un puente en "H" o driver tipo L293b para cada bobina y de este modo tendremos una tabla de secuencias como la siguiente: Paso 1 2 3 4 A +Vcc +Vcc Gnd Gnd B Gnd Gnd +Vcc +Vcc C +Vcc Gnd Gnd +Vcc D Gnd +Vcc +Vcc Gnd Cada inversión en la polaridad provoca el movimiento del eje, avanzando este un 100 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz
    • Electrónica aplicada paso, la dirección de giro se corresponde con la dirección de la secuencia de pasos, por ejemplo para avanzar el sentido horario la secencia seria 1-2-3-4,1-2-3-4.... y para sentido anti-horario seria; 4-3-2-1,-4-3-2-1... Unipolar: El motor unipolar normalmente dispone de 5 o 6 cables dependiendo si el común esta unido internamente o no, para controlar este tipo de motores existen tres métodos con sus correspondientes secuencias de encendido de bobinas, el común irá conectado a +Vcc o masa según el circuito de control usado y luego tan solo tendremos que alimentar la bobina correcta para que avance o retroceda el motor según avancemos o retrocedamos en la secuencia. Las secuencias son las siguientes: Paso A B C D 1 1000 2 0100 3 0010 4 0001 Paso simple: Esta secuencia de pasos es la mas simple de todas y consiste en activar cada bobina una a una y por separado, con esta secuencia de encendido de bobinas no se obtiene mucha fuerza ya que solo es una bobina cada vez la que arrastra y sujeta el rotor del eje del motor Paso doble: Paso A B C D Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 101
    • Electrónica aplicada 1 Medio Paso: Combinando los dos tipos de secuencias anteriores podemos hacer moverse al motor en pasos mas pequeños y precisos y así pues tenemos el doble de pasos de movimiento para el recorrido total de 360º del motor. 2 0110 3 0011 4 Con el paso doble activamos las bobinas de dos en dos con lo que hacemos un campo magnético mas potente que atraerá con mas fuera y retendrá el rotor del motor en el sitio. Los pasos también serán algo mas bruscos debidos a que la acción del campo magnético es mas poderosa que en la secuencia anterior, pero 1100 1001 Paso A B C D 1 1 000 2 1 100 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 102
    • Electrónica aplicada 3 0 100 4 0 110 5 0 010 6 0 011 7 0 001 8 1 001 Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 103
    • Electrónica aplicada PRACTICA Unipolar: Para controlar un motor paso a paso unipolar deberemos alimentar el común del motor con Vcc y conmutaremos con masa en los cables del devanado correspondiente con lo que haremos pasar la corriente por la bobina del motor adecuada y esta generará un campo electromagnético que atraerá el polo magnetizado del rotor y el eje del mismo girará. Para hacer esto podemos usar transistores montados en configuración Darlington o usar un circuito integrado como el ULN2003 que ya los lleva integrados en su interior aunque la corriente que aguanta este integrado es baja y si queremos controlar motores mas potentes deberemos montar nosotros mismos el circuito de control a base de transistores de potencia. El esquema de uso del ULN2003 para un motor unipolar es el siguiente: Las entradas son TTL y se activan a nivel alto, también disponen de resistencias de polarización internas con lo que no deberemos de preocuparnos de esto y podremos dejar "al aire" las entradas no utilizadas. Las salidas son en colector abierto. Bipolar: Para el control de motor bipolar usaremos un puente en H para invertir la polaridad de los devanados, también podemos usar un circuito integrado tipo L293b que contiene un puente en H integrado. El esquema será similar al siguiente: Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 104
    • Electrónica aplicada Control de un motor Paso a Paso con PC Cuando se necesita precisión a la hora de mover un eje nada mejor que un motor paso a paso. Estos motores, a diferencia de los motores convencionales, no giran cuando se les aplica corriente si no se hace en la secuencia adecuada. El presente circuito permite adaptar los niveles de potencia presentes en el puerto paralelo de una PC para poder manejar cómodamente un motor paso a paso bifilar por medio de un simple programa que puede ser desarrollado en casi cualquier lenguaje de programación. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 105
    • Electrónica aplicada La primera etapa del circuito se encarga de aislar la entrada proveniente de la PC por medio de optoacopladores. La segunda etapa consiste en buffer de corriente, que permite manejar las bobinas del motor. Las resistencias de 470 ohms junto con los diodos LED permiten monitorizar el adecuado funcionamiento del sistema. En el plano de arriba se representaron los colores de los cables de la siguiente forma: R = Cable Rojo N = Cable Negro RB = Cable Rojo y Blanco V = Cable Verde Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 106
    • Electrónica aplicada B = Cable Blanco VB = Cable Verde y Blanco El circuito funciona tanto con puertos unidireccionales como bidireccionales. Sensores en el automóvil Indice cursos Los automóviles actuales tienen una cantidad importante de sensores (de 60 a 70 sensores en algunos casos). Estos sensores son necesarios para la gestión electrónica del automóvil y son utilizados por las unidades de control (centralitas) que gestionan el funcionamiento del motor, así como la seguridad y el confort del vehículo. Definición El sensor (también llamado sonda o transmisor) convierte una magnitud física (temperatura, revoluciones del motor, etc.) o química (gases de escape, calidad de aire, etc.) que generalmente no son señales eléctricas, en una magnitud eléctrica que pueda ser entendida por la unidad de control. La señal eléctrica de salida del sensor no es considerada solo como una corriente o una tensión, sino también se consideran las amplitudes de corriente y tensión, la frecuencia, el periodo, la fase o asimismo la duración de impulso de una oscilación eléctrica, así como los parámetros eléctricos "resistencia", "capacidad" e "inductancia". El sensor se puede presentar como un "sensor elemental" o un "sensor integrado" este ultimo estaría compuesto del sensor propiamente dicho mas la parte que trataría las señales para hacerlas comprensibles por la unidad de control. La parte que trata las señales generadas por el sensor (considerada como circuitos de adaptación), se encarga en general de dar a las señales de los sensores la forma normalizada necesaria para ser interpretada por la unidad de control. Existen un gran numero de circuitos de adaptación integrados, a la medida de los sensores y ajustados a los vehículos respectivos Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 107
    • Electrónica aplicada Clasificación Los sensores para automóviles pueden clasificarse teniendo en cuenta distintas características como son: Función y aplicación Según esta característica los sensores se dividen en: • • • Sensores funcionales, destinados principalmente a tareas de mando y regulación Sensores para fines de seguridad y aseguramiento (protección antirrobo) Sensores para la vigilancia del vehículo (diagnosis de a bordo, magnitudes de consumo y desgaste) y para la información del conductor y de los pasajeros. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 108
    • Electrónica aplicada Según la señal de salida Teniendo en cuenta esta característica los sensores se pueden dividir en: • • • Los que proporcionan una señal analógica (ejemplo: la que proporciona el caudalimetro o medidor de caudal de aire aspirado, la presión del turbo, la temperatura del motor etc.) Los que proporcionan una señal digital (ejemplo: señales de conmutación como la conexión/desconexión de un elemento o señales de sensores digitales como impulsos de revoluciones de un sensor Hall) Los que proporcionan señales pulsatorias (ejemplo: sensores inductivos con informaciones sobre el numero de revoluciones y la marca de referencia) Particularidades de los sensores del automóvil A diferencia de los sensores convencionales, los utilizados en el sector del automóvil están diseñados para responder a las duras exigencias que se dan en el funcionamiento de los vehículos a motor, teniendo en cuenta una serie de factores como son los que se ven en la figura inferior: Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 109
    • Electrónica aplicada Alta fiabilidad Con arreglo a sus funciones, los sensores para el sector del automóvil se pueden ordenar en tres clases de fiabilidad según su importancia: • • • Dirección, frenos, protección de los pasajeros Motor/cadena cinemática, tren rodaje/neumáticos Confort, diagnosis, información y protección contra el robo. La exigencias mas altas en el sector del automóvil se corresponden con las exigencias que se utilizan en los sectores de la aeronáutica y astronáutica. La fiabilidad de los sensores es garantizada por técnicas de construcción que utilizan componentes y materiales sumamente seguros. Se procura la integración consecuente de los sistemas para evitar en lo posible conexiones separables y el riesgo de fallos en los mismos. Cuando es necesario, se emplean sistemas de sensores redundantes (sensores de igual función que, por razones de seguridad, efectúan mediciones paralelas). Bajos costes de fabricación Los automóviles actuales poseen a menudo de 60 a 70 sensores. Comparado estos sensores con otros utilizados en otros campos, tienen un reducido coste de fabricación. Estos costes pueden llegar a ser: hasta 100 veces inferior al coste de fabricación de sensores convencionales de igual rendimiento. Como excepción están los sensores que pertenecen a nuevas tecnologías que se aplican al automóvil, los costes iniciales de estos son normalmente mas altos y van luego disminuyendo progresivamente. Duras condiciones de funcionamiento Los sensores se hallan en puntos particularmente expuestos del vehículo. Están sometidos por tanto a cargas extremas y han de resistir toda clase de esfuerzos: • • • • Mecánicos (vibraciones, golpes) Climáticos (temperatura, humedad) Químicos (ejemplo: salpicaduras de agua, niebla salina, combustible, aceite motor, acido de batería) Electromagnéticos (irradiaciones, impulsos parasitos procedentes de cables, sobretensiones, inversión de polaridad). Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 110
    • Electrónica aplicada Por razones de eficacia los sensores se sitúan preferentemente en los puntos donde se quiere hacer la medición, esta disposición tiene el inconveniente de que el sensor esta mas expuesto, a interferencias de todo tipo, como las enumeradas anteriormente. Alta precisión Comparada con las exigencias impuestas a los sensores de procesos industriales, la precisión requerida de los sensores del automóvil es, salvo pocas excepciones (ejemplo: sondas volumétricas de aire), mas bien modesta. Las tolerancias admisibles son en general mayor o igual a 1% del valor final del alcance de medición, particularmente teniendo en cuenta las influencias inevitables del envejecimiento. Para garantizar la alta precisión, es suficiente de momento (hasta cierta medida) disminuir las tolerancias de fabricación y refinar las técnicas de equilibrado y compensación. Un avance importante vino con la integración híbrida o monolítica del sensor y de la electrónica de tratamiento de señales en el punto mismo de medición, hasta llegar a obtener circuitos digitales complejos tales como los convertidores analogico-digitales y los microordenadores. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 111
    • Electrónica aplicada Los llamados "sensores inteligentes" utilizan hasta el máximo la precisión intrínseca del sensor y ofrecen las siguientes posibilidades: • • • • • Alivio de la unidad de control. Interface uniforme, flexible y compatible con el Bus. Utilización de los sensores por varios sistemas. Aprovechamiento de efectos físicos de reducida amplitud, así como de efectos de medición de alta frecuencia (amplificación y demodulación en el mismo lugar). Corrección de divergencias del sensor en el punto de medición, así como equilibrado y compensación comunes del sensor y de su electrónica, simplificadas y mejoradas por memorización de las informaciones correspondientes en una memoria PROM. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 112
    • Electrónica aplicada 1- Que hace un TPS? El sensor de posición de mariposa del acelerador, llamado TPS o sensor TP ( del ingles Throttle Position -Sensor) , efectúa un control preciso de la posición angular de la mariposa. EL ECM toma esta información para poder efectuar distintas funciones, de suma importancia para el correcto funcionamiento de un sistema de inyección electrónica de combustible. Actualmente el tipo de TPS mas utilizado es el potenciometro. Este consiste en una pista resistiva barrida con un cursor, y alimentada con una tensión de 5 voltios desde el ECM. Los TPS de este tipo suelen tener 3 cables de conexión y en algunos casos pueden tener 4 cables, este ultimo caso incluye un switch, utilizado como contacto de marcha lenta (idle switch). 2- Conexiones del TPS con el ECM: En el primer caso, el cursor recorre la pista y de acuerdo a la posición de este sobre la pista del potenciometro, se puede leer en tensión dicha posición angular. El segundo caso ( con switch), un cuarto cable se conecta a masa cuando es sensada la condición de mariposa cerrada. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 113
    • Electrónica aplicada 3- Condiciones de trabajo de un TPS: Marcha lenta: La condición de marcha lenta o mariposa cerrada (Idle speed), es detectada por el TPS en base a su condición de tensión mínima prevista, dicha tensión debe estar comprendida en un rango predeterminado y entendible por el ECM como marcha lenta. Este valor de tensión se suele denominar Voltaje Mínimo del TPS o V. Min. y su ajuste es de suma importancia a los efectos que el ECM pueda ajustar correctamente el régimen de marcha lenta y la condición de freno motor. En aquellos casos en los que el TPS incorpore switch, es este mismo switch el que al conectarse da aviso al ECM acerca de la condición de marcha lenta. Ejemplos de V. Mínimo: Bosch Motronic Peugeot, Bmw ..........................0.45 a 0.55 Volts. Ford EECIV.........................................................0.65 a 0.9 Volts. Magnetti Marelli multipunto...............................0.25 a 0.45 volts. General Motors – en general...............................0.5 +/- 0.05 volts. La medición de V.Minimo debe hacerse con un tester digital, colocando el negativo del tester a masa de carrocería, y el positivo al cable de señal, con el sistema en contacto. Barrido de la pista: El cursor debe recorrer la pista del potenciometro sin cortes ni falsos contactos, esto es muy importante a los efectos de evitar tironeos, fallas y detecciones de mal función por el sistema de autodiagnostico del ECM. La salida de tensión del TPS "Arranca" con el V. Mínimo, y a medida que se abre la mariposa la tensión debe ir ascendiendo hasta llegar al valor máximo, normalmente comprendido entre 4 y 4.6 voltios. La forma de comprobar este barrido consiste en efectuar la medición con un tester de aguja, osciloscopio analógico o digital y verificar el ascenso de la tensión de salida sin interrupciones. Apertura Máxima: La condición de apertura máxima ( Full throttle ), permite que el ECM detecte la aceleración a fondo , condición que se efectúa cuando el acelerador es pisado a fondo. En esta condición el ECM efectúa enriquecimiento adicional, modifica el avance y puede interrumpir el accionamiento de los equipos de A/C. La forma de comprobar esta condición se realiza con el tester el acelerador a fondo, la medición debe arrojar una lectura comprendida como se dijo entre 4 y 4.6 voltios, siempre con el sistema en contacto. 4- Reglaje y controles de un TPS: Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 114
    • Electrónica aplicada Para reglar un TPS, primero se debe alinear bien la mariposa del acelerador, el cuerpo de mariposas debe estar limpio y la mariposa debe quedar en reposo, " levemente abierta ". Apenas debe haber luz en sus bordes. Luego se debe colocar el TPS, y conectado, y en contacto verificar la masa ( no debe arrojar una lectura de mas de 30 mvoltios) , el positivo de alimentación en 5 voltios; y luego la salida de señal que debe acomodarse al valor especificado para el V. Mínimo. Luego se comprobara el barrido y posteriormente el TPS a fondo ( full throttle). 5- Fallas comunes con el TPS: El TPS se desajusta cuando toma temperatura: La falla se presenta como perdida del control de marcha lenta , en otra palabras el motor se queda acelerado o regula en un régimen inadecuado en ciertas condiciones. El fenómeno se debe a que el TPS al tomar temperatura en el compartimento del motor, modifica su resistencia y el V. Mínimo cambia sorpresivamente, en esta condición el ECM no reconoce la condición de marcha lenta y por consiguiente no efectúa su control. Se detecta el problema dejando el tester conectado a la salida de señal del TPS y esperando que se produzca la falla como consecuencia de la variación de tensión mencionada. La pista del TPS se encuentra defectuosa y al barrerla hay mal contacto: La falla produce tironeos y puede encender la lampara de diagnostico. Se debe verificar el barrido con osciloscopio. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 115
    • Electrónica aplicada Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 116
    • Electrónica aplicada LAS COMPUTADORAS EN LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN Los componentes más comunes que hacen a los controladores de inyección electrónica sus tendencias de cambio y las pruebas básicas para determinar fallas en los subsistemas que la componen. Esta nota intenta dar una visión práctica de los componentes básicos de los controladores que manejan la relación aire combustible en los motores de combustión interna llamados normalmente calculador , computadora o E.C.M.(Engine Control Module).Existe una diferencia fundamental entre el concepto de computador y controlador , es el siguiente: El computador lee y realiza operaciones relacionadas con datos informáticos, como ejemplo la lectura de discos CD - ROM y presentación en pantalla. El controlador lee y realiza operaciones relacionadas con procesos industriales, como ejemplo mide el sensor de temperatura y acciona el inyector. Los primeros controladores de inyección solo eran temporizadores (Peugeot 505 SRI) analógicos (voltímetro de aguja) en el cual no se disponía de ninguna inteligencia , con el avance de la electrónica digital (voltímetro digital) aparecen los verdaderos controladores (Peugeot 405 SRI) capaces de autodiagnosticarse y resolver situaciones de emergencia. Los problemas que se resolvieron a lo largo del tiempo fueron: • • • • • • • Conversión analógica (sensores) digital (microcontrolador). Tensión estable para los sensores (fuente interna). Supresión de ruidos del ambiente y la batería. Dispositivos para actuadores de alta corriente Dispositivos para actuadores de alta tensión. Diagnostico por Scanner y autodiagnostico. Autocomprobación de sus distintos componentes. Hemos tomado dos controladores de inyección distintos para extraer de ellos los componentes comunes y analizar donde podemos chequear y verificar los problemas que determinán el mal funcionamiento de este componente. En primer lugar los electrónicos siempre verificamos los problemas en la alimentación por lo cual desarrollamos este tema verificando los componentes que hacen que el controlador reciba los 13,6V de batería. Las fotos 1 y 2 muestran los componentes básicos del sistema de alimentación. E.C.M Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 117
    • Electrónica aplicada Ford EEC Renault 19 Monopunto En el controlador Magnetti Marelli tenemos un capacitor 1000 uF X 25V y un varistor (dispositivo que varia su resistencia en función de la tensión aplicada , para tensiones superiores a 25V es un cortocircuito) , mientras que en el controlador EEC - IV se encuentra un supresor de picos y un capacitor de 3,3 uF X 63V la característica sobresaliente del supresor es un dispositivo semiconductor de rápida reacción frente a los picos de tensión que excedan los 25V originados por la inducción de tensión provenientes del alternador o desde el circuito de encendido , también ofrece una protección contra inversión de polaridad. Ha menudo suele verse este supresor en cortocircuito porque se le invirtió la polaridad de la batería con lo que brinda protección al resto del controlador , para reemplazarlo es difícil puesto que en el mercado no esta disponible , se sustituye por un diodo de 1N5400 (3A y 50V). Para el caso del varistor no hay inconveniente ya que esta disponible en el mercado , en este caso si sucede una inversión de polaridad se destruye el capacitor de entrada y no tiene protección. Otro circuito importante es la entrada de los sensores que se caracterizan por circuitos del tipo R-C o bien supresores de pico en cada entrada. Circuitos de entrada para los controladores Magnetti Marelli EEC - IV En aquellos casos donde aparecen circuitos R-C (sensores de temperatura) puede aparecer como falla característica una resistencia cortada o una soldadura fría (falso contacto) , la solución en general es difícil de manejar ya que los componentes del tipo S.M.D.(Dispositivos de Montaje Superficial) suelen colocarse en ambos lados del circuito impreso , pero con paciencia puede detectarse en el auto cual de los sensores no reacciona y con ello saber a que pin del circuito responde y verificar el circuito de entrada , es decir si la resistencia tiene el valor apropiado , puede reemplazarse por resistencias de metal film de igual valor sin problemas. En cuanto a las fallas que ocasiona el capacitor las soluciones son pocas porque a nivel circuital solo podemos chequear que se ha puesto en cortocircuito (el tipo de capacitores es de policarbonato y difícilmente presente falla de cortos , característica de capacitores del tipo mica- plata) Otro circuito de interés general es la fuente de alimentación 5V , en la foto Nro.:1 se ve claramente que el circuito integrado de 5 pines. Este circuito posee características muy especiales porque no solo alimenta los sensores de temperatura , sensor de presión absoluta ,etc.Sino también al microcontrolador y circuitos de lógica de control. La fuente en general presenta cinco pines dado que ella se apaga si observa un exceso de potencia dando protección al sistema , también un reset general para cuando se da contacto desde la llave de ignición. Una particularidad es que son reguladores de baja tensión entre la entrada (13,6V) y la salida (5V) lo que permite que funcione en condiciones muy agresivas para la entrada (7V) brindando 5V a todo el sistema sin inconvenientes.Estos circuitos están disponibles en el mercado electrónico y son de fácil reemplazo. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 118
    • Electrónica aplicada Cabe aquí una aclaración cuando uno trabaja en estos controladores todos los chequeos pueden ser realizados con las tapas descubiertas pero se recomienda que uno este conectado a una masa de seguridad de manera que no exista la posibilidad de electricidad estática (recuerde que puede llegar a generar diferencias de tensión cercanas a 2500V). También recomendamos el uso de soldadores de punta cerámicas porque la resistencia de aislación es superior a 30 Mohms , y con ello aseguramos que no se inducirán tensiones en los componentes que se reemplacen , una aclaración más: JAMAS REEMPLACE UN COMPONENTE CON EL CONTROLADOR ALIMENTADO. Otro de los componentes que se observan frecuentemente en los controladores son los circuitos integrados que accionan los motores paso a paso o válvulas I.S.C. Controladores son los circuitos integrados Magnetti Marelli EEC - IV (15 pines) La característica fundamental de estos circuitos es que son capaces de autocontrolarse , esto significa que si por problemas de exceso de corriente al excitar el motor , el circuito se apaga de forma que evita destruirse , para detectar esta falla hay que reemplazar los bobinados del motor por resistencias equivalentes (para el motor Marelli el valor es de 52 Ohms , pero no existe en el mercado , utilice resistencia de 47 Ohms de 2W en su reemplazo, y observe las señales con el osciloscopio(obtendrá señales cuadradas con cambio de polaridad). Un consejo útil nunca intente probar los sistemas de marcha lenta sin colocar en reemplazo una resistencia dado que en general son circuitos denominados "open Colector" (Colector abierto) , en pocas palabras no funcionará si no se cierra el circuito de carga. Por último aparecen los circuitos de encendido e inyección donde encontramos los transistores de salida según se muestran en las siguientes fotos para controlador Marelli y EEC - IV. Las características de estos son totalmente distintas y no pueden ser reemplazados entre si , porque mientras el transistor de inyección es del tipo NPN tiene 120V de aislación y 8A de corriente de salida el transistor de encendido es NPN pero de 450V de aislación y 16A de corriente de carga. Circuitos de encendido e inyección Magnetti Marelli EEC - IV (15 pines) Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 119
    • Electrónica aplicada Si pueden ser reemplazados por transistores que están en el mercado. Para probarlos recomiendo que se haga sobre el circuito del controlador en funcionamiento dado que con el tester en la posición de diodo a veces no se ve su falla. El punto de chequeo es en la base del Tr. y se caracteriza de la siguiente forma: a) En general tienen tres terminales. b) Uno de los extremos esta a masa através de una resistencia. c) El otro extremo es la base , señal cuadrada de 1V de amplitud. d) El terminal del medio es el colector y va al circuito de carga (Inyector). La tendencia actual es reemplazar estos Tr. por dispositivos inteligentes de forma que se reduzca el tamaño del circuito de salida , estos nuevos dispositivos se utilizan en los sistemas centralizados de puerta y poseen una gran ventaja si las condiciones de la carga (sean inyectores , bobinas de motores , bobinas de encendido) , en cuanto a corriente , temperatura , tensión y potencia no sobrepasan los valores definidos por el fabricante , y en vez de destruirse lo que hacen es bloquear la salida salvando el semiconductor. Antes de finalizar el artículo deseo brindarles un caso que me sucedió en la controladora Magnetti Marelli , la falla que se presentaba es detención del vehículo en forma aleatoria. Pude comprobar que el auto cuando se quedaba era por falta de encendido , lo primero que hice fue reemplazar el Tr , luego al chequear el viejo no encontré nada mal , por lo que deje el controlador abierto y comprobé la base del Tr. cuando estaba instalada en el auto allí me di cuenta que en el momento que no salía en marcha no me llega pulso a la base , conclusión final controlador imposible de reparar. En resumen , todo sirve para discriminar cual es el dispositivo que falla y determinar con la máxima certeza que es lo que se rompe. SENSORES DE PRESION ABSOLUTA (MAP) Informacion que entregan: • • Por variaciones de tension Por variaciones de frecuencia SENSOR MAP POR VARIACION DE TENSION Como ejemplo en este caso se ha tomado un sensor de presión absoluta de un automovil Renault 19/1.8 Lts. De cualquier manera los procedimientos de ensayo para este sensor, valen practicamente para todos los Sensores MAP por Tensión de cualquier marca y modelo Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 120
    • Electrónica aplicada • Para la comprobación de este componente utilizar un multímetro digital dispuesto para medir tensiones (voltage) de corriente continua (DC/VOLTS). Si no es un instrumento autorango, seleccionar la escala de 20 volts. • • • • • Conectar un vacuómetro al múltiple de admisión como se indica en la figura. Conectar la punta negativa del multímetro a masa (chassis). Poner el auto en contacto. Con la punta positiva del multímetro, medir la tensión presente en el "Pin A" de la ficha de conexión del MAP. En este punto debe medirse una tensión de + 5 volts, esta tensión es la de alimentación del MAP, tensión que es generada por el circuito regulador de tensión del computador y que utiliza este como tensión de referencia para distintos sensores. Una vez comprobada la existencia de la alimentación de + 5 volts, pasar la punta positiva del multímetro al "Pin C" de la ficha. Este punto es masa, pero es tomada en un Pin del computador, punto que es denominado "Masa de Sensores", o tambien puede figurar en algunos diagramas de circuito eléctrico como "Masa Electrónica". • En este punto debe medirse una tensión no mayor que 0,08 volts (80 milivolts). Pasar ahora la punta positiva del multímetro al "Pin B" de la ficha del MAP, por este Pin el sensor entrega la información de la presión existente en el múltiple de admisión (vacio producido por el motor en la fase de admisión de los cilindros). • • • • Como todavia no fue puesto en funcionamiento el motor, la presión en el múltiple será igual a la atmosférica. La tensión de información entregada por el MAP en estas condiciones, será de alrededor de 4 volts. Poner en funcionamiento el motor, dejarlo estabilizar. Mantener la punta positiva del multímetro en el "Pin C" del MAP (salida de información). Para un vacio de motor de 18 pulgadasHg. (460 mm.Hg), la tensión a medir estará alrededor de 1,1 a 1,2 volts. SENSOR MAP POR VARIACION DE TENSION • Es posible efectuar otro tipo de comprobación de funcionamiento de este componente. Para realizarla, ademas del multímetro, es necesario contar con una bomba de vacio manual. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 121
    • Electrónica aplicada • • • • • • • Disponer el multímetro tal como se hizo en la comprobación anterior, para medir tensiones de corriente continua y elegiendo la misma escala indicada. Conectar la punta negativa a masa y la positiva al "Pin B" de la ficha del MAP. Desconectar la manguera de vacio de la pipeta del MAP, manguera de goma que proviene del múltiple de admisión. Conectar en su lugar la manguera de la bomba de vacio manual. Poner el auto en contacto. Sin aplicar vacio, la tensión de información medida en el "Pin B" deberá ser de aproximadamente 4 volts. Este nivel de tensión es producto que el MAP está sensando el nivel de presión atmosférica. Comenzar a continuación a producir vacio accionando la bomba manual de vacio, la tensión de información comenzará a decrecer. Cuando el vacio aplicado se encuentre a un nivel de 18 pulgadasHg (18 inchHg/460 mm.Hg), el nivel de tensión habrá descendido hasta 1,1 a 1,2 volts SENSOR MAP POR VARIACION DE FRECUENCIA Este tipo de MAP es utilizado por FORD y Volkswagen. Para la comprobación de este componente es posible utilizar distintos tipos de instrumentos, tal como se describe a continuación. • • • • Multímetro digital que contenga dentro de sus posibilidades de medición, la función FRECUENCIMETRO. Osciloscopio y un multímetro digital. Vacuómetro. Bomba para producir vacio manualmente. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 122
    • Electrónica aplicada COMPROBACION CON MULTIMETRO QUE INCLUYE LA FUNCION FRECUENCIMETRO. • • • • • Disponer el multímetro para medir tensiones de corriente continua (DC/VOLTS) Si el multímetro utilizado no es autorango, seleccionar la escala de 20 volts. Conectar la punta negativa del multímetro a masa. Conectar el vacuometro como se indica en la figura. Poner el auto en contacto. Conectar la punta positiva del multímetro al "Pin 1" de la ficha del MAP. • En este Pin la tensión medida debe ser de + 5 volts, tensión positiva provista por el regulador de tensión del computador para alimentación del MAP. Finalizada esta medición, conectar ahora la punta positiva del multímetro al "Pin 2" de la ficha del MAP. En este punto, masa del MAP tomada en un Pin del computador y que es la Masa de Sensores de la que ya se hablo, el nivel de tensión medida no debe exeder de: • • 0,08 volts = 80 milivolts. Seleccionar en el multímetro la función FRECUENCIMETRO. Conectar la punta positiva del multímetro al "Pin 3" de la ficha del MAP. Al estar el auto en contacto pero con el motor sin funcionar, el nivel de presión existente en el múltiple de admisión será el de la presión atmoférica, en esta condición la frecuencia indicada por el multímetro estará alrededor de: • • • • 160 Hertz (ciclos por segundo) Mantener el multímetro en la función frecuencímetro y su punta positiva conectada al "Pin 3" del MAP. Poner en funcionamiento el motor del vehículo y dejarlo estabilizar unos segundos. Para un vacio de motor de 18 pulgadasHg. (inchHg./460 mm.Hg) la frecuencia leida en el multímetro será de 106 a 110 Hertz. SENSOR MAP POR VARIACION DE FRECUENCIA Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 123
    • Electrónica aplicada COMPROBACION CON MULTIMETRO Y OSCILOSCOPIO • • • • • Disponer el multímetro para medir tensiones de corriente continua (DC/VOLTS). Si el multímetro utilizado no es autorango, seleccionar la escala de 20 volts. Conectar la punta negativa del multímetro a masa (chassis). Girar la llave del auto a la posición de contacto. Verificar con la punta positiva del multímetro la existencia de la alimentación de + 5 volts en el "Pin 1" del MAP y no más de 0,08 volts en el "Pin 2" del mismo, toma de masa en masa de sensores del computador. Preparación de osciloscopio para realizar las mediciones: • • • • • • • • Seleccionar el canal a utilizar, por ejemplo "CHA". Posicionar la llave "A" para medir tensiones de corriente continua, posición "DC". Seleccionar una sensibilidad vertical ("VOLTS/DIV.") de 1 VOLT/DIV. Seleccionar un tiempo de barrido ("TIME/DIV.") de 2 ms./DIV. Ubicar la línea de barrido del haz (referencia de 0 volt) en la primera división horizontal de la retícula, comenzando a contar desde el borde inferior de la misma. Tomar la punta de medición del osciloscopio (si es una punta con llave multiplicadora posicionar a esta en x1). Conectarla al "Pin 3" de la ficha del MAP y el clip cocodrilo del cable negativo a masa (chassis). Conectar el vacuometro como se muestra en la figura siguiente. Girar la llave del auto a la posición de contacto. En el momento que se pone el contacto y queda asi alimentado el MAP con los + 5 volts provistos por el computador, ya se tendrá señal de salida (información) visible en la pantalla del osciloscopio. • La señal observada tiene una forma de onda rectangular, la amplitud es de + 5 volts y por el tiempo de barrido seleccionado (2 ms./DIV.) la cantidad de ciclos completos presentados es de 3. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 124
    • Electrónica aplicada Para conocer la frecuencia de la señal que se está observando, debe medirse el tiempo en el que transcurre 1 ciclo. Por ejemplo, tal como se indica en la figura precedente, medir el tiempo entre el primer y segundo flanco ascendente de la señal. • • Asumimos que se mide 6,25 milisegundos. El cálculo de la frecuencia de la señal generada por el MAP será: Frecuencia (expresada en Hertz) = 1000 / Tiempo medido (expresado en ms.) O sea para nuestro caso: Frecuencia = 1000 / 6,25 = 160 Hertz El resultado es correcto para un MAP que se encuentra sensando la presión atmosférica, no olvidemos que el motor no está funcionando. • Poner en funcionamiento el motor y dejar que se estabilice. Al producirse vacio en el motor el MAP lo sensará y la frecuencia de su señal de salida disminuirá considerablemente. • En un motor en buenas condiciones y girando a la velocidad de ralenti es normal que se produzca un vacio de 18 pulg.Hg, asumiendo que este nivel de vacio es el leido en el vacuometro, por la base de tiempo que se tiene seleccionada en el osciloscopio la cantidad de ciclos visualizados en la pantalla será 2. Medir nuevamente el tiempo en el que transcurre un ciclo. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 125
    • Electrónica aplicada Suponer que el tiempo medido es de 9,4 milisegundos, en base a este valor se calcula la frecuencia de la señal tal como se efectuo anteriormente: Frecuencia = 1000 / 9,4 ms. = 106 Hertz Realizando estos simples cálculos es posible conocer la frecuencia de cualquier señal que se este observando, rectangular, cuadrada, senoidal, etc. • Es posible realizar la comprobación de funcionamiento de este tipo de MAP utilizando una bomba de vacio manual, siguiendo los mismos pasos que los realizados cuando se comprobó un MAP que entrega información por variación por tensión. SENSOR MAP POR VARIACION DE FRECUENCIA Tabla con los niveles de señal que entregan distintos modelos de MAP a distintos niveles de vacio. Valores obtenidos a distintas presiones en distintos tipos de MAP Modelo Peugeot Renault/GM Ford VACIO En pulg. de Hg Nivel de señal En Volts Nivel de señal En Volts Nivel de señal En Hertz 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 4,78 4,18 3,75 3,31 2,84 2,43 2 1,53 1,09 0,64 4,74 4,21 3,73 3,28 2,80 2,32 1,87 1,38 0,88 0,43 160 151 145 138 131 124 118 111 105 98 Sensores de Oxígeno SENSORES DE OXIGENO Sensores de oxigeno son fundamentales porque con su señal la PCM toma decisiones sobre cuanto combustible debe inyectarse al motor. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 126
    • Electrónica aplicada SENSORES DE OXIGENO y RATIO AIRE/COMBUSTIBLE La PCM usa al sensor de oxígeno para asegurar que le mezcla aire/combustible sea correcta para el convertidor catalítico. Con base en señal eléctrica proveniente del sensor de oxígeno, la PCM ajustará la cantidad de combustible inyectado en la corriente de aire que ingresa al sistema de admisión. Existen diferentes tipos de sensores de oxígeno, pero dos de los tipos más comunes son: *Sensor de Oxígeno de Rango Angosto, que es el estilo más antiguo, simplemente llamado sensor de oxígeno. * Sensor de Oxígeno de Amplio Rango, que el tipo más novedoso, y que en el mercado se le conoce como Sensor de Ratio Aire/Combustible (Sensor A/F o Air/Fuel Ratio) También utilizado en solo algunos modelos a principios de los 90's, está el sensor de oxigeno de Titanio. Los vehículos OBD II requieren dos sensores de oxígeno: uno antes y otro más después del convertidor catalítico. El sensor de oxígeno, o sensor A/F, que va instalado antes del convertidor catalítico es utilizado por la PCM para ajustar la proporción aire/combustible. Este sensor en terminos del protocolo OBD II es reconocido como el "Sensor 1". En motores con arreglo en V un sensor será reconocido como "Banco 1 Sensor 1" (B1S1) para la cabeza de cilindros que tenga al cilindro No. 1 y el otro sensor se reconoce como "Banco 2 Sensor 1". Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 127
    • Electrónica aplicada El sensor de oxígeno que va después del convertidor catalítico es utilizado por la PCM en primer lugar para determinar la eficiencia de trabajo del convertidor catalítico. Este sensor se conoce como Sensor 2. En vehículos que cuenten con dos convertidores catalíticos, un sensor se identificará como "Banco 1 Sensor 2" y el otro sensor será "Banco 2 Sensor 2". SENSOR DE OXIGENO CONVENCIONAL Este estilo de sensor de oxígeno ha estado en servicio durante largo tiempo. Está hecho de Zirconio (Oxido de Zirconio), electrodos de platino y un elemento calefactor. El sensor de oxígeno genera una señal de voltaje basada en la cantidad de oxígeno contenido en el gas de escape comparándola contra la cantidad de oxígeno presente en el aire del ambiente atmosférico. El elemento de zirconio tiene un lado expuesto a la corriente de gases de escape y el otro lado está expuesto al aire de la atmósfera. Cada lado tiene un electrodo de platino adherido al elemento de dióxido de zirconio. Los electrodos de platino conducen el voltaje generado en el elemento de zirconio. La contaminación o la corrosión de los electrodos de platino de los elementos de zirconio reducirán la señal de voltaje de salida hacia la PCM. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 128
    • Electrónica aplicada OPERACIÓN Cuando la gasolina se quema en el cilindro se generan humos de escape; dentro de esos humos hay pocas cantidades de oxígeno que no alcanzaron a consumirse por completo cuando la gasolina se quemó. Algunas veces esos remanentes de oxígeno serán más, otras veces serán menos, pero el punto importante es que las cantidades de oxígeno remanente estarán cambiando siempre que el motor esté funcionando. Pues son precisamente esas variaciones en la concentración de oxígeno en los gases de escape las que el sensor de oxígeno se encarga de monitorear. No podemos verlo con los ojos pero si podemos aprovechar las propiedades del óxido de zirconio para realizar mediciones de oxígeno que se conviertan en señales eléctricas que la PCM pueda aprovechar y que además podamos monitorear con multímetros digitales o mejor aún, con un osciloscopio. ¿Pero cómo es el comportamiento de las señales eléctricas? ¿Hay alguna relación entre la cantidad de oxígeno presente en los humos de escape y los voltajes que un sensor de oxígeno produce? Cuando el contenido de oxígeno en los gases de escape es alto, el sensor de oxígeno produce un voltaje bajo. Por el contrario, cuando el contenido de oxígeno en los gases de escape es bajo, el sensor de oxígeno produce un voltaje alto. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 129
    • Electrónica aplicada Entre menos oxígeno haya en los gases y humos de escape, la señal de voltaje que el sensor producirá crecerá cada vez más. Esto puede verse fácilmente en la pantalla del osciloscopio o en un escáner que tenga la capacidad de graficar señales de sensores. Dependiendo del contenido de oxígeno en los humos, la PCM puede determinar la composición de aire/combustible que está ingresando a los cilindros; si la mezcla resulta ser "pobre" o mejor dicho, con mucho aire y poco combustible, produciendo así un voltaje bajo, la PCM se encarga de "enriquecer" la mezcla, es decir, de inyectar más gasolina. Si por el contrario, la mezcla resulta ser "rica", o sea, poco aire y mucho combustible, lo cual produce una señal de voltaje alto, entonces la PCM se encargará de "empobrecer" la mezcla, es decir, de inyectar menos gasolina. Estos ajustes se están realizando de 30 a 40 veces por minuto. Una "mezcla rica" consume casi todo el oxígeno, entonces la señal de voltaje será "alta", en el rango de 0.6 - 1.0 Volts. Una "mezcla pobre" tiene más oxígeno disponible luego de que ocurre la combustión, por lo que la señal de voltaje ser "baja", en el rango de 0.1 - 0.4 Volts. Esas dos "regiones" son los extremos de la composición de la mezcla, pero si buscamos la región que más "equilibre" la composición de la mezcla aire/combustible, hablaremos de algo que se conoce como "estequiometría". Este término se refiere a la perfección de la mezcla que es cuando tenemos 14.7 partes de aire por 1 de combustible. Cuando la mezcla alcanza esa proporción podremos verlo reflejado en la señal de voltaje que el sensor de oxígeno produce y siempre será alrededor de 0.45 Volts. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 130
    • Electrónica aplicada Es muy importante señalar que los cambios pequeños en la proporción "aire/combustible" cambiarán radicalmente el voltaje de la señal producida por el sensor. Este tipo de sensor algunas veces se conoce como "Sensor de Rango Angosto" debido a que no puede detectar los cambios pequeños que resultan en el contenido de oxígeno en la corriente de humos de escape por los cambios que se hagan a la mezcla aire/combustible en el multiple de admisión. La PCM es como un "chef" que continuamente añade y sustrae combustible para producir un ciclo interminable de enriquecimiento/empobrecimiento de la mezcla y técnicamente tú lo puedes ver cuando la PCM abre y cierra" los milisegundos del pulso de inyección. Este fenómeno se conoce como "Close Loop" o "Ciclo Cerrado" y lo veremos con lujo de detalles en un curso más avanzado de control electrónico de combustible. Por lo ponto no olvides que el sensor de oxígeno es una especie de interruptor: cada vez que la mezcla aire/combustible se encuentre en su "zona de estequiometría" (14.7:1) la señal de voltaje será de 0.45 Volts y justo en ese momento el sensor de oxígeno cambiará el voltaje de la señal hacia arriba (1.0 Volts) o hacia abajo (0.1 Volts), y lo seguirá haciendo mientras el motor siga funcionando. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 131
    • Electrónica aplicada Si no se satisfacen ciertos requisitos entonces el sensor de oxigeno no producirá la señal electrónica que la PCM necesita para que el sistema funciona en "Closed Loop" y así la inyección de combustible sea eficiente porque de otro modo, habrá problemas. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 132
    • Electrónica aplicada El sensor de oxigeno solo generara una señal exacta cuando hay alcanzado una temperatura mínima de 400 Grados Centígados. Para que el sensor se caliente rápidamente y se mantenga caliente tanto en ralenti como en altas RPM's, el sensor de oxigeno tiene una resistencia calefactora en su interior. Este calefactor es controlado por a PCM y si circuito viene completamente descrito en los diagramas de control electrónico. SENSOR DE RATIO AIRE/COMBUSTIBLE (SENSOR A/F) Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 133
    • Electrónica aplicada El sensor A/F es similar al sensor de oxígeno de rango angosto. Aunque se parece mucho al sensor de oxígeno tradicional, está construido de una forma diferente y por consiguiente,tiene características diferentes de operación. El sensor A/F se distingue principalmente por ser de rango amplio debido a su capacidad de detectar "ratios" o proporciones de aire/combustible en un rango más amplio de voltajes. La ventaja de emplear sensor A/F es que la PCM puede medir de una forma mucho más exacta la cantidad de combustible que ha de inyectarse, con lo cual se reduce muchísimo el consumo de combustible. Para lograr esto el sensor A/F: * Opera a una temperatura de 650 Grados Centígrados, mucho más caliente que un sensor de oxígeno tadicional que opera más o menos a 400 Grados Centígrados. * Modifica su amperaje de salida a la PCM en relación a la cantidad de oxígeno presente enla corriente de humos de escape. OPERACION DEL SENSOR A/F Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 134
    • Electrónica aplicada Un circuito de detección dentro de la PCM detecta el cambio y la fuerza del flujo de corriente eléctrica y emite una señal de voltaje relativamente proporcional al contenido de oxígeno de la mezcla de gases de escape. NOTA: esta señal de voltaje solo es posible medirla usando un escánner especial OBD II o superior. No es posible medir directamente y con exactitud la corriente de salida del sensor A/F. El sensor A/F está diseñado de tal manera que en la "zona de estequiometría", no hay flujo de corriente eléctrica y el voltaje de salida en el circuito de detección es de 3.3 Volts. Una mezcla rica, la cual como ya dijimos deja muy poco oxígeno en la corriente de gases de escape, produce un flujo negativo de corriente eléctrica. Entonces, el circuito de detección en la PCM producirá un voltaje por debajo de 3.3 Volts. Por otro lado, una mezcla pobre, la cual tiene más oxígeno en la corriente de gases de escape, produce un flujo de corriente positivo. En este caso el circuito de detección en la PCM ahora producirá una señal de voltaje por encima de 3.3 Volts. NOTA La señal de voltaje de salida del sensor A/F es lo opuesto a lo que sucede en el sensor de Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 135
    • Electrónica aplicada oxígeno de rango angosto. La señal de voltaje de salida a través del circuito de detección se incrementa a medida que la mezcla aire/combustble se empobrece. También, la señal de voltaje es proporcional al cambio en la mezcla aire/combustible. Esto le permite a la PCM juzgar de forma más exacta la proporción aire/combustible bajo un amplio rango de condiciones y rápidamente ajustar la cantidad de combustible inyectado para llegar al centro de la "zona estequiométrica", que es la cantidad en donde se consume menos combustible. Este tipo de corrección rápida no es posible con el sensor convencional de rango angosto. Con los sensores A/F, la PCM no necesita seguir una estrategia de ciclo rico-pobre-rico-pobre. En el curso de Control de Combustible en Closed Loop veremos los detalles de este funcionamiento en especial para esclarecerte cualquier duda. TIP Piensa en el sensor A/F como un generador capaz de cambiar su polaridad. Cuando la mezcla de aire/combustible está rica (poco contenido de oxígeno en los gases de escape), el sensor A/F genera una corriente en el sentido negativo (-). A medida que la mezcla se va haciendo cada vez más pobre (más oxígeno conteindo en los gases de escape), el sensor A/F genera una corriente en el sentido positivo (+). En el punto de estequiometría no se genera corriente. El circuito de detección siempre está midiendo la dirección y cuanto flujo de corriente está siendo producido por el sensor. El resultado es que la PCM sabe exactamente que tan rica o que tan pobre es la mezcla y con esa información, puede ajustar la mezcla de combustible mucho más rápido que con un sistema de control basado en el sensor de oxígeno tradicional. Por lo tanto, no hay un ciclo tal como lo es para un sistema basado en la estrategia del sensor de oxígeno de rango angosto. En lugar de eso, la señal de salida del sensor A/F es más repartida y por lo regular está alrededor de 3.3 Volts con menos oscilaciones. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 136
    • Electrónica aplicada El sensor A/F juega un papel muy diferente al sensorde oxígeno convencional, no son intercambiables y arrojan señales distintas. Nunca vayas a reemplazar un sensor convencional por un A/F ni viceversa porque arruinarás a la PCM. Habiendo dicho eso, entremos al siguiente tema del curso on-line Sensores de Oxígeno. SERVICIO Y DIAGNOSTICO DE SENSORES DE OXIGENO Existen diversos factores que pueden afectar el normal funcionamiento de un sensor de oxígeno. Es importante diferenciar con claridad si el propio sensor de oxígeno o algún otro factor está ocasionando que el mismo sensor se comporte de forma irregular. Un sensor de oxígeno que esté contaminado en su sonda no producirá voltajes apropiados y no oscilará como es debido. El sensor puede contaminarse debido al anticongelante del motor, consumo excesivo de aceite de motor, vapores desprendidos por silicones selladores en empaques y por utilizar aditivos de gasolina de baja calidad. Cuando el sensor de oxígeno se contamina un poco se dice que está "flojo", debido a que le toma más tiempo oscilar de rico a pobre y viceversa, su señal se sale fuera de su rango normal de operación quedándose "rico" o quedándose "pobre".Esto afectará severamente el consumo de gasolina y continuamente provoca problemas de Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 137
    • Electrónica aplicada falla de motor tales como humo negro, cascabeleos, motor tarda en encender, marcha mínima inestable y otros. Muchos factores afectan la operación del sensor de oxígeno tales como fugas de vacío, fuga de gas en válvula EGR hacia múltiple de admisión, presión de gasolina insuficiente o excesiva, otros sensores defectuosos, motor trabajando sin termostato, tiempo retrasado de cadena de distribución, tiempo de encendido retrasado o adelantado en exceso, etc. No nos cansaremos de repetir que es sumamente importante que los circuitos eléctricos delsensor de oxígeno así como su elemento calefactor siempre estén en excelentes condiciones. Resistencia excesiva, circuitos abiertos y cortos a tierra producirán señales falsas de voltaje que harán creer a la PCM cosas que no son ciertas. En muchos casos los códigos de falla DTC recuperados con escáner y las revisiones básicas ayudarán a localizar el problema pero cuando las cosas se ponen difíciles, el diagrama es una herramienta invaluable para terminar rápido el trabajo y haciéndolo bien. ELEMENTO CALEFACTOR DEL SENSOR DE OXIGENO Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 138
    • Electrónica aplicada Para que un sensor de oxígeno envíe su señales exactas de voltaje rápidamente, el sensor necesita estar caliente. Una resistencia eléctrica de 2 amperes dentro del sensor lo calienta a medida que la corriente eléctrica circula a través de ella. La PCM activa el circuito con base en a temperatura del anticongelante y la carga del motor (determinado por la señal electrónica del sensor MAF o MAP, según sea el caso). La resistencia del elemento calefactor puede verificarse con un multímetro digital en la escala de Ohms. Entre mayor sea la temperatura de calefactor, mayor será la resistencia. El circuito eléctrico del calefactor del sensor de oxígeno es continuamente monitoreado por la PCM para verificar su apropiada operación. Si ocurriese un desperfecto, el circuito se apagará. Cuando esto sucede, el sensor de oxígeno producirá muy poca a ninguna señal de voltaje lo cual traerá como consecuencia la activación del código de falla DTC P0125 y la iluminación de la luz Check Engine en el tablero de instrumentos. ELEMENTO CALEFACTOR DE SENSORES A/F Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 139
    • Electrónica aplicada ELEMENTO CALEFACTOR DE SENSORES A/F Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 140
    • Electrónica aplicada Este elemento calefactor sirve el mismo propósito que el calefactor del sensor de oxígeno de rango angosto, pero existen diferencias muy importantes. Los motores que usan sensores A/F llevan un relevador, conocido como Relay A/F, el cual se activa de forma simultánea al relevador principal que alimenta a la PCM en la mayoría de marcas. Este elemento calefactor consume hasta 8 amperes (contra los 2 amperes del sensor convencional) para proveer el calor adicional que el sensor A/F requiere pues no hay que olvidar que funcionan a 600 Grados Centígrados en comparación con los 400 Grados de los sensores de oxígeno. Por este motivo es muy importante asegurarnos que el circuito esté en perfectas condiciones: debemos revisarlo, evaluarlo y medir caídas de voltaje. El elemento calefactor de los sensores A/F, a diferencia de los sensores convencionales, está controlado por un Circuito Modulador de Ancho de Pulso (PWM - Pulse Width Modulated). Cuando el sensor está frío, el ancho del pulso es alto, por lo que este circuito también es monitoreado continuamente por la PCM para funcionamiento normal. Si se detecta un defecto en el circuito modulador, el elemento calefactor se apaga. Cuando esto ocurre, el sensor A/F no funcionará bajo ninguna condición además de que se activará el código de falla DTC P0125. DIAGNOSTICO DEL ELEMENTO CALEFACTOR DEL SENSOR A/F El diagnóstico del elemento calefactor es similar al del sensor de oxígeno convencional. Dado que el sensor A/F requiere más calor para funcionar, el calefactor está activado por períodos más largos de tiempo y por lo regular siempre está activo bajo condiciones normales de manejo. Dado que el circuito del calefactor conduce más corriente, es crítico que todas las conexiones estén perfectamente ajustadas y que no tengan resistencia. El relevador se verifica de la misma forma que con cualquier otro relevador. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 141
    • Electrónica aplicada SENSORES DE OXIGENO CON CENTRO DE TITANIO Este sensor de oxígeno consiste de un elemento semiconductor hecho de dióxido de titanio TiO2, que al igual que el Dióxido de Zirconio, ZRO2 es un material cerámico. Este sensor usa una película gruesa del elemento de titanio formado en el frente de un substrato laminado para detectar la concentración de oxígeno en el gas de escape. OPERACION DEL SENSOR DE OXIGENO DE TITANIO Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 142
    • Electrónica aplicada Las propiedades del titanio son tales que la resistencia cambia de acuerdo a la concentración de oxígeno en los gases de escape. Esta resistencia cambia abruptamente en el límite entre una proporción aire/combustible teórica pobre a rica, como se ve en la gráfica anterior. La resistencia del titanio también cambia mucho en respuesta a cambios de temperatura. Por ello un elemento calefactor está integrado en el substrato laminado para mantener constante a la temperatura del elemento de titanio. Este sensor se conecta a la PCM como se muestra en el ejemplo anterior. Todo el tiempo se suministra un voltaje de 1.0 Volts en la terminal positiva (+) por la PCM hacia sensor. La PCM tiene un comparador que siempre está comparando caídas de voltaje en la terminal OX debido a cambios en la resistencia del titanio contra un voltaje de referencia de 0.45 Volts. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 143
    • Electrónica aplicada Si el resultado muestra que el voltaje en la terminal Ox es mayor que 0.45 Volts, es decir, que la resistencia del sensor de oxígeno sea baja, la PCM juzgará que la mezcla de aire/combustible es rica. Si por el contrario, el voltaje medido en esa terminal fuera menor que 0.45 Volts, es decir, que la resistencia del sensor sea alta, juzgará que la mezcla aire/combustible es pobre. Sensores: Su Ubicación, Función, Síntomas de falla y Pruebas Sensor de posición del cigüeñal ( ckp ) Ubicación: • En la tapa de la distribución o en el monoblock. Función: • Proporcionar al ecm la posición del cigüeñal y las rpm. Es del tipo captador magnético. Síntomas de falla: • • • Motor no arranca. El automóvil se tironea. Puede apagarse el motor espontáneamente. Pruebas: • • • Probar que tenga una resistencia de 190 a 250 ohms del sensor esto preferente a temperatura normal el motor. Continuidad de los 2 cables. Y con el scanner buscar el numero de cuentas. Sensor de temperatura de refrigerante del motor ( ect ) Ubicación: • Se encuentra en la caja del termostato conocida como toma de agua. Función: • Informar al pcm la temperatura del refrigerante del motor para que este a su vez calcule la entrega de combustible, la sincronizacion del tiempo y el control de la válvula egr , asi como la activacion y la desactivacion del ventilador del radiador. Síntomas de falla: • Ventilador encendido en todo momento con motor funcionando. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 144
    • Electrónica aplicada • • • • El motor tarda en arrancar en frio y en caliente. Consumo excesivo de combustible. Niveles de co muy altos. Problemas de sobrecalentamiento. Pruebas: • • Se conecta el multimetro a la punta izquierda del sensor , que es la de corriente y se prueba el volts que debe dar un valor de 4.61 v Se conecta el multimetro en ohms y se chequea resonancia con el interruptor del carro apagado. Sensor de temperatura del aire de admisión Ubicación: • • • Se encuentra en el ducto de plastico de la admisión del aire. Puede estar en el filtro de aire o fuera de el antes del cuerpo de aceleración. Función: • • • • Determinar la densidad del aire. Medir la temperatura del aire. Este sensor trabaja en funcion de la temperatura, osea que si el aire esta en esxpancion o en compresión , esto debido a su temperatura. Causas de falla: • • Cable abierto, terminal aterrizada, pcm dañado, falso contacto. Fallas: • • • • • Altas emisiones contaminantes de monóxido de carbono. Consumo elevado de combustible. Problemas para el arranque en frio. Eceleracion ligeramente elevada o alta. Pruebas: • • • Se conecta el multimetro a la punta izquierda del sensor , que es la de corriente y se prueba el volts que debe dar un valor de 4.61 v Se conecta el multimetro en ohms y se checa resonancia con el interruptor del carro apagado. Sensor de velocidad del vehiculo ( vss ) Tipos: Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 145
    • Electrónica aplicada • • • Puede ser del tipo generador de iman permanente. Genera electricidad de bajo voltaje. (parecido a la bobina captadora del distribuidor del sistema de encendido). Del tipo optico. Tiene un diodo emisor de luz y un foto transmisor. Ubicación: • • • En la transmisión, cable del velocímetro o atrás del tablero de instrumentos. La señal puede ser una onda o del tipo alterna o del tipo digital. Función: • • • • • • Los voltajes que proporciona este sensor la computadora los interpreta para: La velocidad de la marcha mínima. El embrage del convertidor de torsión. Información para que marque la velocidad , el tablero electrico digital. Para la funcion del sistema de control de la velocidad de crucero ( cruise control ). Síntomas: • • • • • • Marcha minima variable. Que el convertidor de torsión cierre. Mucho consumo de combustible. Pérdida de la información de los kilómetros recorridos wn un viaje , el kilometraje por galon, todo esto pasa en la computadora. El control de la velocidad de crucero pueda funcionar con irregularidad o que no funcion Sensor de detonación (KS) Ubicación y Función: • • • Está situado en el bloque del motor en el múltiple de admisión o en la tapa de válvulas. Es un sensor de tipo piezoelectrico, la detonación o cascabeleo del motor provoca que el sensor genere una señal de bajo voltaje y esta es analizada por el pcm ( computadora del carro). Esta información es usada por el pcm para controlar la regulación del tiempo, atraza el tiempo hasta un limite que varia según el fabricante puede ser de 17 a 22 grados, esto lo hace atravez de un modulo externo llamado control electrónico de la chispa. Síntomas: • Perdida de potencia o cascabeleo del motor y por lo tanto deterioro de algunas partes mecanicas. Pruebas: • Golpear levemente el múltiple de admisión, hacer una pequeña marca visible en la polea del cigüeñal y con una lampara de tiempo ponerla directamente en la marca y golpear y veremos como sé atraza el tiempo. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 146
    • Electrónica aplicada Sensor de Posición del Acelerador (TPS) Ubicación y Función: • • • • • • Localizado en el cuerpo de aceleración. Informa al pcm la posición de la mariposa del cuerpo de aceleración. Calcula el pulso del inyector. Calcula la curva de avance del encendido. Es de tipo potenciometro. Calcula el funcionamiento del sistema del control de emisiones. Las señales que genera este sensor la computadora las usa para modificar: • • • Regulación del flujo de los gases de emisiones del escape atravez de la válvula egr. La relacion de la mezcla aire combustible. Corte del aire acondicionado por máxima aceleración. Síntomas: • • • La marcha minima es variable estan más bajas o más altas las rpm normales. El titubeo y el ahogamiento durante la desaceleracion. Una falta de rendimiento del motor o mayor consumo de combustible. Pruebas: • • Revizar 5 volts del potenciometro del sensor con un multimetro. Revizar que todas las lineas esten bien esto se hace chequeando la continuidad con el multimetro. Sensor de la masa de aire ( MAF) Ubicación y Función: • • • • Localizado entre el filtro del aire y de la mariposa del acelerador o cuerpo de aceleración. Se usa como un dispositivo de medicion termica. Una resistencia termica mide la temperatura del aire de admisión sé enfria cuando más aire pasa cerca de la resistencia y cuando menos aire pasa menos sé enfria. La computadora analiza los cambios de potencia de electricidad necesaria para calentar y mantener la temperatura de la resistencia termica a 75 grados centígrados. Síntomas: • • • • Ahogamiento del motor ( exceso de combustible) por que el sensor no calcula la cantidad de combustible. Consumo excesivo de combustible, niveles altos de co (monóxido de carbono). Falta de potencia. Humo negro por el escape. Pruebas: • • Cuando el sensor físicamente esta sucio se limpia con dielectrico. Cuando el sensor no funciona nos da 8 volts de salida si existe una fuga del conducto de aire y se va a valores a menos de .60 volts. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 147
    • Electrónica aplicada Sistemas de encendido Comparación de los sistemas de encendido. Encendido convencional Ofrece un buen funcionamiento para exigencias normales (capaz de generar hasta 20.000 chispas por minuto, es decir puede satisfacer las exigencias de un motor de 4 cilindros hasta 10.000 r.p.m. Para motores de 6 y 8 cilindros ya daría más problemas). La ejecución técnica del platino, sometido a grandes cargas por la corriente eléctrica que pasa por el primario de la bobina, constituye un compromiso entre el comportamiento de conmutación a baja velocidad de rotación y el rebote de los platinos a alta velocidad. Derivaciones debidas a la condensación de agua, suciedad, residuos de combustión, etc. disminuyen la tensión disponible en medida muy considerable. Encendido con ayuda electrónica Existe una mayor tensión disponible en las bujías, especialmente en los altos regímenes del motor. Utilizando un platino de reducido rebote de contactos, puede conseguirse que este sistema trabaje sin perturbaciones hasta 24.000 chispas por minuto. El platino no esta sometido a grandes cargas de corriente eléctrica por lo que su duración es mucho mayor lo que disminuye el mantenimiento y las averías de este tipo de encendido. Se suprime el condensador. Encendido electrónico sin contactos Estos modelos satisfacen exigencias aun mayores. El platino se sustituye por un generador de impulsos ("inductivo" o de "efecto Hall") que están exentos de mantenimiento. El numero de chispas es de 30.000. Como consecuencia de la menor impedancia de las bobinas utilizadas, la subida de la alta tensión es más rápida y, en consecuencia, la tensión de encendido es menos sensible a las derivaciones eléctricas. Encendido electrónico integral Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 148
    • Electrónica aplicada Al quedar suprimidos los dispositivos mecánicos de los sistemas de corrección de avance del encendido por la aplicación de componentes electrónicos, se obtiene mayor precisión en las curvas de avance, que pueden adaptarse cualquiera que sea su ley, cumpliendo perfectamente con la normativa de anticontaminación. El mantenimiento de estos sistemas de encendido es prácticamente nulo. Encendido electrónico para inyección de gasolina En los actuales sistemas de inyección electrónica de gasolina se combinan con un encendido electrónico integral aprovechando muchos de los sensores que les son comunes y la propia unidad de control (UCE) para gobernar ambos sistemas. Dentro de estos sistemas de encendido podemos encontrar los que siguen usando el distribuidor y los que lo suprimen por completo (encendido electrónico estático DIS). Encendido por descarga de condensador Este sistema que se aplica a motores que funcionan a un alto número de revoluciones por su elevada tensión en las bujías. La subida rápida en extremo de la tensión de encendido hace a la instalación insensible a derivaciones eléctricas. Sin embargo la chispa de encendido es de muy corta duración. El fabricante BOSCH hace una clasificación particular de sus sistemas de encendido. Sistemas de encendido Función Iniciación del encendido Determinación del ángulo de encendido según el régimen y estado de carga del motor Generación de alta tensión (bobina) SZ TZ EZ Encendido Encendido Encendido por bobina transistorizado electrónico VZ Encendido totalmente electrónico mecánico (platino) Electrónica electrónica electrónica mecánico Mecánico electrónica electrónica inductiva Inductiva inductiva inductiva Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 149
    • Electrónica aplicada Distribución y transmisión de la chispa de encendido al cilindro correcto (distribuidor) Etapa de encendido (centralita) mecánico mecánico mecánico electrónica mecánico electrónica electrónica electrónica El circuito de encendido ¿que es? El circuito de encendido utilizado en los motores de gasolina, es el encargado de hacer saltar una chispa eléctrica en el interior de los cilindros, para provocar la combustión de la mezcla aire-gasolina en el momento oportuno. La encargada de generar una alta tensión para provocar la chispa eléctrica es "la bobina". La bobina es un transformador que convierte la tensión de batería 12 V. en una alta tensión del orden de 12.000 a 15.000. Una vez generada esta alta tensión necesitamos un elemento que la distribuya a cada uno de los cilindros en el momento oportuno, teniendo en cuenta que los motores policilindricos trabajan en un ciclo de funcionamiento con un orden de explosiones determinado para cada cilindro (ejemplo: motor de 4 cilindros orden de encendido: 1-3-4-2). El elemento que se encarga de distribuir la alta tensión es el "distribuidor o delco". La alta tensión para provocar la chispa eléctrica en el interior de cada uno de los cilindros necesita de un elemento que es "la bujía", hay tantas bujías como numero de cilindros tiene el motor. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 150
    • Electrónica aplicada En el esquema inferior vemos un "encendido convencional" o también llamado "encendido por ruptor o platinos". Elementos básicos que componen el circuito de encendido Esquema eléctrico del circuito de encendido La bobina De la bobina poco hay que decir ya que es un elemento que da pocos problemas y en caso de que falle se cambia por otra (no tiene reparación). La bobina de encendido no es más que un transformador eléctrico que transforma la tensión de Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 151
    • Electrónica aplicada batería en un impulso de alta tensión que hace saltar la chispa entre los electrodos de la bujía. La bobina esta compuesta por un núcleo de hierro en forma de barra, constituido por láminas de chapa magnética, sobre el cual esta enrollado el bobinado secundario, formado por gran cantidad de espiras de hilo fino de cobre (entre 15.000 y 30.000) debidamente aisladas entre sí y el núcleo. Encima de este arrollamiento va enrollado el bobinado primario, formado por algunos centenares de espiras de hilo grueso, aisladas entre sí y del secundario. La relación entre el número de espiras de ambos arrollamiento (primario y secundario) esta comprendida entre 60 y 150. El conjunto formado por ambos bobinados y el núcleo, se rodea por chapa magnética y masa de relleno, de manera que se mantengan perfectamente sujetas en el interior del recipiente metálico o carcasa de la bobina. Generalmente están Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 152
    • Electrónica aplicada sumergidos en un baño de aceite de alta rigidez dieléctrica, que sirve de aislante y refrigerante. Aunque en lo esencial todas las bobinas son iguales, existen algunas cuyas características son especiales. Una de estas es la que dispone de dos bobinados primarios. Uno de los bobinados se utiliza únicamente durante el arranque (bobinado primario auxiliar), una vez puesto en marcha el motor este bobinado se desconecta. Este sistema se utiliza para compensar la caída de tensión que se produce durante la puesta en marcha del motor cuando se esta accionando el motor de arranque, que como se sabe, este dispositivo consume mucha corriente. El arrollamiento primario auxiliar se utiliza únicamente en el momento del arranque, mediante el interruptor (I) (llave de contacto C) que lo pone en circuito, con esto se aumente el campo magnético creado y por lo tanto la tensión en el bobinado secundario de la bobina aumenta. Una vez puesto en marcha el motor en el momento que se deja de accionar la llave de arranque, el interruptor (I) se abre y desconecta el bobinado primario auxiliar, quedando en funcionamiento exclusivamente el bobinado primario Para paliar los efectos de caída de tensión en el momento del arranque del motor, algunas bobinas disponen de una resistencia (R) a la entrada del arrollamiento primario de la bobina conectada en serie con el, que es puesta fuera de servicio en el momento del arranque y puesta en servicio cuando el motor ya esta funcionando. El distribuidor El distribuidor también llamado delco ha evolucionado a la vez que lo hacían los sistemas de encendido llegando a desaparecer actualmente en los últimos sistemas de encendido. En los sistemas de encendido por ruptor, es el elemento más complejo y que mas funciones cumple, por que además de distribuir la alta tensión como su propio nombre indica, controla el corte de corriente del primario de la bobina por medio del ruptor generándose así la alta tensión. También cumple la misión de adelantar o retrasar el punto de encendido en los cilindros por medio de un "regulador centrífugo" que actúa en función del número de revoluciones del motor y un "regulador de vacío" que actúa combinado con el regulador centrifugo según sea la carga del motor (según este más o menos pisado el pedal del acelerador). Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 153
    • Electrónica aplicada El distribuidor o delco es accionado por el árbol de levas girando el mismo número de vueltas que este y la mitad que el cigüeñal. La forma de accionamiento del distribuidor no siempre es el mismo, en unos el accionamiento es por medio de una transmisión piñón-piñón, quedando el distribuidor en posición vertical con respecto al árbol de levas (figura derecha). En otros el distribuidor es accionado directamente por el árbol de levas sin ningún tipo de transmisión, quedando el distribuidor en posición horizontal (figura de abajo). Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 154
    • Electrónica aplicada Encendido con ayuda electrónica El encendido convencional por ruptor se beneficia de la aplicación de la electrónica en el mundo del automóvil, salvando así los inconvenientes del encendido por platinos que son: la aparición de fallos de encendido a altas revoluciones del motor así como el desgaste prematuro de los contactos del ruptor, lo que obliga a pasar el vehículo por el taller cada pocos km. A este tipo de encendido se le llama: "encendido con ayuda electrónica" (figura derecha), el ruptor ya no es el encargado de cortar la corriente eléctrica de la bobina, de ello se encarga un transistor (T). El ruptor solo tiene funciones de mando por lo que ya no obliga a pasar el vehículo por el taller tan frecuentemente, se elimina el condensador, ya no es necesario y los fallos a altas revoluciones mejora hasta cierto punto ya que llega un momento en que los contactos del ruptor rebotan provocando los consabidos fallos de encendido. Encendido electrónico sin contactos Una evolución importante del distribuidor o delco vino provocada por la sustitución del "ruptor o platinos", elemento mecánico, por un "generador de impulsos" que es un elemento electrónico. Con este tipo de distribuidores se consiguió un sistema de encendido denominado: "Encendido electrónico sin contactos" como se ve en el esquema de la figura inferior. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 155
    • Electrónica aplicada El distribuidor dotado con "generador de impulsos" es igual al utilizado en los sistemas de encendido convencionales, es decir, cuenta con los elementos de variación del punto de encendido ("regulador centrifugo" y "regulador de vacío") y de mas elementos constructivos. La diferencia fundamental esta en la sustitución del ruptor por un generador de impulsos y la eliminación del condensador. El generador de impulsos puede ser de tipo: "inductivo", y de "efecto Hall". • El generador de impulsos de inducción: es uno de los mas utilizados en los sistemas de encendido. Está instalado en la cabeza del distribuidor sustituyendo al ruptor, la señal eléctrica que genera se envía a la unidad electrónica que gestiona el corte de la corriente de el bobinado primario de la bobina para generar la alta tensión que se manda a las bujías. El generador de impulsos está constituido por una rueda de aspas llamada rotor, de acero magnético, que produce durante su rotación una variación del flujo magnético del imán permanente que induce de esta forma una tensión en la bobina que se hace llegar a la unidad electrónica. La rueda tiene tantas aspas como cilindros tiene el motor y a medida que se acerca cada una de ellas a la bobina de inducción, la tensión va subiendo cada vez con mas rapidez hasta alcanzar su valor máximo cuando la bobina y el aspa estén frente a frente (+V). Al alejarse el aspa siguiendo el giro, la tensión cambia muy rápidamente y alcanza su valor negativo máximo (-V). En este cambio de tensión se produce el encendido y el impulso así originado en el distribuidor se hace llegar a la unidad electrónica. Cuando las aspas de la rueda no están enfrentadas a la bobina de inducción no se produce el encendido. El generador de impulsos de "efecto Hall" se basa en crear una barrera magnética para interrumpirla periódicamente, esto genera una señal eléctrica que se envía a la centralita electrónica que determina el punto de encendido. Este generador esta constituido por una parte fija que se compone de un circuito Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 156
    • Electrónica aplicada integrado Hall y un imán permanente con piezas conductoras. La parte móvil del generador esta formada por un tambor obturador, que tiene una serie de pantallas tantas como cilindros tenga el motor. Cuando una de las pantallas del obturador se sitúa en el entrehierro de la barrera magnética, desvía el campo magnético impidiendo que pase el campo magnético al circuito integrado. Cuando la pantalla del tambor obturador abandona el entrehierro, el campo magnético es detectado otra vez por el circuito integrado. Justo en este momento tiene lugar el encendido. La anchura de las pantallas determina el tiempo de conducción de la bobina. Esquema de un generador de impulsos de "efecto Hall" y señal eléctrica correspondiente. Para distinguir si un distribuidor lleva un generador de impulsos "inductivo" o de "efecto Hall" solo tendremos que fijarnos en el número de cables que salen del distribuidor a la centralita electrónica. Si lleva solo dos cables se trata de un distribuidor con generador de impulsos "inductivo", en caso de que lleve tres cables se tratara de un distribuidor con generador de impulsos de "efecto Hall". Para el buen funcionamiento del generador de impulsos hay que comprobar la distancia entre la parte fija y la parte móvil del generador, que siempre deben de mantener la distancia que nos indica el fabricante. Encendido electrónico integral Una vez mas el distribuidor evoluciona a la vez que se perfecciona el sistema de encendido, esta vez desaparecen los elementos de corrección del avance del punto de encendido ("regulador centrifugo" y "regulador de vacío") y también el generador de impulsos, a los que se sustituye por componentes electrónicos. El Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 157
    • Electrónica aplicada distribuidor en este tipo de encendido se limita a distribuir, como su propio nombre indica, la alta tensión procedente de la bobina a cada una de las bujías. El tipo de sistema de encendido al que nos referimos ahora se le denomina: "encendido electrónico integral" y sus particularidades con respecto a los anteriores sistemas de encendido son el uso de: • Un generador de impulsos del tipo "inductivo", Esta constituido por una corona dentada que va acoplada al volante de inercia del motor y un captador magnético frente a ella. El captador esta formado por un imán permanente, alrededor esta enrollada una bobina donde se induce una tensión cada vez que pasa un diente de la corona dentada frente a el. Como resultado se detecta la velocidad de rotación del motor. La corona dentada dispone de un diente, y su correspondiente hueco, más ancho que los demás, situado 90º antes de cada posición p.m.s. Cuando pasa este diente frente al captador la tensión que se induce es mayor, lo que indica a la centralita electrónica que el pistón llegara al p.m.s. 90º de giro después. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 158
    • Electrónica aplicada • Un captador de depresión Tiene la función de transformar el valor de depresión que hay en el colector de admisión en una señal eléctrica que será enviada e interpretada por la centralita electrónica. Su constitución es parecido al utilizado en los distribuidores ("regulador de vacío"), se diferencia en que su forma de trabajar ahora se limita a mover un núcleo que se desplaza por el interior de la bobina de un oscilador, cuya frecuencia eléctrica varia en función de la posición que ocupe el núcleo con respecto a la bobina. La centralita electrónica La centralita del "encendido electrónico integral" recibe señales del captador o generador de impulsos para saber el numero de r.p.m. del motor y la posición que ocupa con respecto al p.m.s, también recibe señales del captador de depresión para saber la carga del motor. Ademas de recibir estas señales tiene en cuenta la temperatura del motor mediante un captador que mide la temperatura del refrigerante (agua del motor) y un captador que mide la temperatura del aire de admisión. Con todos estos datos la centralita calcula el avance al punto de encendido. • El captador de picado Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 159
    • Electrónica aplicada En estos sistemas de encendido en algunos motores se incluye un captador de picado que se instala cerca de las cámaras de combustión, capaz de detectar en inicio de picado. Cuando el par resistente es elevado (ejemplo: subiendo una pendiente) y la velocidad del un motor es baja, un exceso de avance en el encendido tiende a producir una detonación a destiempo denominada "picado" (ruido del cojinete de biela). Para corregir este fenómeno es necesario reducir las prestaciones del motor adoptando una curva de avance inferior. El captador de picado viene a ser un micrófono que genera una pequeña tensión cuando el material piezoeléctrico del que esta construido sufre una deformación provocada por la detonación de la mezcla en el interior del cilindro del motor. a.- nivel de presión dentro del cilindro b.- señal que recibe la ECU c.- señal generada por el sensor de picado Encendido electrónico para inyección de gasolina. Los actuales sistemas de inyección electrónica de gasolina se combinan con un encendido electrónico integral aprovechando muchos de los sensores que les son comunes y la propia unidad electrónica de control UCE para gobernar ambos sistemas. Se utilizan dos tipos de encendido electrónico: el convencional (figura de abajo izquierda) con distribuidor, en el que la UCE determina el instante de salto de chispa en cada cilindro y el distribuidor reparte la chispa a cada bujía en el orden de encendido adecuado, y el encendido electrónico estático (DIS) que suprime el distribuidor. El sistema de encendido DIS (figura de abajo derecha) usa una bobina doble con cuatro salidas de alta tensión. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 160
    • Electrónica aplicada 1- UCE. 2- Bobina. 3- Distribuidor o delco. 4- Bujías. 5Amplificador. 6- Bobina doble con 4 salidas. Amplificador: tiene la función de amplificar la señal de mando que manda la UCE a la bobina. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 161
    • Electrónica aplicada El utilizar este tipo de bobinas tiene el inconveniente de la chispa perdida. Como sabemos estas bobinas hacen saltar chispas en dos cilindros al mismo tiempo, cuando solo es necesaria una de ellas, la chispa perdida puede provocar explosiones en la admisión en aquellos motores de elevado cruce de válvula. Para evitar este problema se usa una bobina por cada cilindro (figura de la derecha). Todas ellas controladas por la ECU, también tiene la ventaja este sistema de suprimir los cables de alta tensión que conectan las bobinas con las bujías. Encendido electrónico por descarga de condensador Este sistema llamado también "encendido por tiristor" funciona de una manera distinta a todos los sistemas de encendido tratados hasta aquí. Su funcionamiento se basa en cargar un condensador con energía eléctrica para luego descargarlo provocando en este momento la alta tensión que hace saltar la chispa en las bujías. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 162
    • Electrónica aplicada Este tipo de encendido se aplica en aquellos vehículos que funcionan a un alto nº de revoluciones como coches de altas prestaciones o de competición, no es adecuado para los demás vehículos ya que tiene fallos de encendido a bajas revoluciones. La chispa de encendido en las bujías resulta extraordinariamente intensa, aunque su duración es muy corta, lo que puede provocar fallos de encendido, para solucionar este inconveniente se aumenta la separación de los electrodos de las bujías para conseguir una chispa de mayor longitud. El transformador utilizado en este tipo de encendido se asemeja a la bobina del encendido convencional solo en la forma exterior, ya que en su construcción interna varía, sobre todo la inductancia primaria que es bastante menor. Como se ve en el esquema de la derecha el distribuidor es similar al utilizado en los demás sistemas de encendido, contando en este caso con un generador de impulsos del tipo de "inductivo". Dentro de la centralita electrónica tenemos una fuente de tensión continua capaz de subir los 12V. de batería a 400V. También hay un condensador que se cargará con la energía que le proporciona la fuente de tensión, para después descargarse a través de un tiristor sobre el primario del transformador que generará la alta tensión que llega a cada una de las bujías a través del distribuidor. Como se ve aquí el transformador de encendido no tiene la misma misión que la bobina de los sistemas de encendido mediante bobina, pues la energía no se acumula en el transformador, sino en el condensador Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 163
    • Electrónica aplicada Bujías Para el final de este artículo dejamos este elemento que es el encargado de hacer saltar la chispa eléctrica entre sus electrodos, para inflamar la mezcla de aire-combustible situada dentro de la cámara de combustión en el cilindro del motor. La parte más importante de las bujías son los electrodos que están sometidos a todas las influencias químicas y térmicas que se desarrollan dentro de la cámara de combustión, incidiendo notablemente sobre la calidad de la chispa y por tanto sobre el encendido. Para proteger los electrodos de las condiciones adversas en las que debe trabajar y por lo tanto prolongar su duración, se emplean en su fabricación aleaciones especiales a base de níquel, mas manganeso, silicio y cromo con el propósito de elevar el limite de temperatura de trabajo Grado térmico de las bujías Es la característica más importante de las bujías y esta en función de la conductibilidad térmica del aislador y los electrodos, también depende del diseño del aislante (largura y grosor en su parte inferior, junto a los electrodos). En general el grado térmico de las bujías deberá ser mayor, cuanto mayor sea la potencia por litro de cilindrada de un motor. Según el grado térmico de las bujías éstas se dividen en las siguientes Bujía fría La bujía fría o de alto grado térmico esta formada en general por un aislante corto y grueso en su parte inferior, para que la evacuación del calor se efectué mas rápidamente, utilizándose en motores de gran compresión (mayor de 7/1) y altas revoluciones. Bujía caliente La bujía caliente o de bajo grado térmico tiene el aislador largo y puntiagudo, efectuándose la evacuación de calor mas lentamente; se utiliza en motores de baja compresión (menor de 7/1) y pocas revoluciones. Como se puede apreciar esta clasificación de las bujías hoy en día y desde hace bastantes años no es viable, dadas las circunstancias extremadamente contrapuestas de funcionamiento del motor en circulación urbana (bajas Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 164
    • Electrónica aplicada revoluciones y muchos arranques y paros), o en autopistas (altas revoluciones mantenidas durante largo tiempo). Fue necesaria la ampliación de la gama de grado térmico para conseguir una bujía que funcione correctamente en ambos condiciones, se llego así a las bujías "multigrado", que abarcan varios grados térmicos. Si desenroscamos la bujía de la culata y nos fijamos en el estado y color de los electrodos, podemos saber en que condiciones esta trabajando el motor, por ejemplo: quema mucho aceite, encendido adelantado etc. Tipos de bujías: Bujías estándar: Los electrodos sobresalen de la bujía, tienen buen contacto con la mezcla y gran reserva al desgaste por quemadura, empleándose en vehículos de serie. La bujía de la figura (A) tiene un fácil reglaje de sus electrodos, no así la (B) que por su disposición dificulta el reglaje de los electrodos, pero tiene la ventaja de facilitar el encendido con el motor a ralentí. La bujía (C) se usa en motores de dos tiempos, tiene fácil contacto con la mezcla, gran reserva al desgaste y fácil arranque en ralentí, pero no permite reglaje ninguno. Bujías especiales: entre ellas tenemos las de electrodos interiores (no sobresalen de la bujía), empleadas en vehículos de competición. No presentan riesgos de sobrecalentamiento, no tienen reserva al desgaste por quemadura ni permiten reajuste de sus electrodos. Otra bujía especial es la de electrodo de masa en platino, el cual presenta varias ventajas, entre ellas su insensibilidad a los ataques químicos procedentes de la combustión de la mezcla, por lo que la duración en kilómetros de estas bujías es mucho mayor. La distancia entre electrodos se puede reglar. La desventaja de esta bujía es que es bastante cara. Para modificar la distancia entre electrodos, hay que tener en cuenta que el reglaje se hace siempre sobre el electrodo de masa y no sobre el electrodo central, para evitar el deterioro de la porcelana aislante. La distancia entre los electrodos será de 0,6 a 0,65 mm. Comprobándolo con una galga de espesores o feeler. Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 165
    • Electrónica aplicada Héctor Alejandro Del Pino Muñoz; Enrique Pulgar Orellana Ingenieros (E) Mec. Automotriz 166