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Automóvil Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil Cuarta edición Tecnología automotriz: Mantenimiento y reparación de vehículos Tom Denton BA FIMI MSAE MIRTE Edición certificada Automóvil Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil Cuarta edición (Tecnología automotriz: Mantenimiento y reparación de vehículos) Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil. Tecnología automotriz: mantenimiento y reparación de vehículos Tom Denton ISBN: 978-0-08-096955-8 de la edición original en Inglés Automobile Electrical and Electronic Systems. Automotive Technology Vehicle Maintenance and Repair publicada por Routledge. Taylor & Francis Group, 2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon OX14 4RN. Derechos reservados © 2012 Routledge. Taylor & Francis Group. Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México Cuarta edición: Alfaomega Grupo Editor, México, diciembre de 2015 Primera edición: MARCOMBO, S.A. 2016 © 2016 MARCOMBO, S.A. www.marcombo.com «Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra». ISBN: 978-84-267-2319-2 D.L.: B-6477-2016 Impreso en Ulzama Digital SL Printed in Spain Contenido Prefacio xxiii Reconocimientos xxv Glosario de abreviaturas y acrónimos xxvii Capítulo 1 Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 1 1.1 Breve historia 1 1.1.1 ¿Dónde empezó todo? 1 1.1.2 Cronología 4 1.2 ¿Y dónde seguimos? 12 1.2.1 Actualidades 12 1.2.2 Sistemas autoeléctricos en el próximo milenio 12 1.2.3 Sistemas automotrices en el próximo milenio; “el conductor moderno” 13 1.2.4 Con los ojos puestos en el futuro 15 1.2.5 La muerte del automóvil. ¿Energía? 17 Capítulo 2 Principios de electricidad y de electrónica 19 2.1 Prácticas de trabajo con seguridad 19 2.1.1 Introducción 19 2.1.2 Evaluación y reducción de riesgos 19 2.2 Principios básicos de electricidad 19 2.2.1 Introducción 19 2.2.2 Flujo de electrones y flujo convencional 20 2.2.3 Efectos del flujo de corriente 21 2.2.4 Cantidades fundamentales 22 2.2.5 Descripción de los circuitos eléctricos 22 2.2.6 Conductores, aisladores y semiconductores 23 2.2.7 Factores que afectan la resistencia de un conductor 23 2.2.8 Redes de resistores y circuitos 23 2.2.9 Magnetismo y electromagnetismo 25 2.2.10 Inducción electromagnética 26 2.2.11 Inducción mutua 26 2.2.12 Definiciones y leyes 26 2.3 Componentes y circuitos electrónicos 29 2.3.1 Introducción 29 2.3.2 Componentes 29 2.3.3 Circuitos integrados 33 Contenidovi 2.3.4 Amplificadores 34 2.3.5 Circuitos de puente 37 2.3.6 Disparador Schmitt 37 2.3.7 Temporizadores 38 2.3.8 Filtros 38 2.3.9 Par Darlington 40 2.3.10 Engrane de motor de avance 40 2.3.11 Conversión de digital a análogo 41 2.3.12 Conversión de análogo a digital 42 2.4 Electrónica digital 43 2.4.1 Introducción a los circuitos digitales 43 2.4.2 Compuertas lógicas 43 2.4.3 Lógico combinacional 44 2.4.4 Lógico secuencial 45 2.4.5 Temporizadores y contadores 46 2.4.6 Circuitos de memoria 47 2.4.7 Circuitos de reloj o astables 49 2.5 Sistemas microprocesadores 49 2.5.1 Introducción 49 2.5.2 Puertos 49 2.5.3 Unidad de procesamiento central (CPU) 50 2.5.4 Memoria 50 2.5.5 Buses 50 2.5.6 Secuencia de búsqueda y ejecución 51 2.5.7 Microprocesador común 51 2.5.8 Microcontroladores 53 2.5.9 Sistemas de prueba de microcontrolador 54 2.5.10 Programación 54 2.6 Medición 55 2.6.1 Qué es la medición 55 2.6.2 Sistema de medición 56 2.6.3 Fuentes de error en la medición 56 2.7 Sensores 58 2.7.1 Resistencias térmicas (termistores) 58 2.7.2 Termopares 59 2.7.3 Sensores inductivos 60 2.7.4 Efecto Hall 61 2.7.5 Indicadores de tensión 62 2.7.6 Capacitancia variable 63 2.7.7 Resistencia variable 64 2.7.8 Acelerómetro (sensores de golpeo) 66 2.7.9 Transformador diferencial variable lineal (LVDT) 68 Contenido vii 2.7.10 Sensor de flujo de aire de cable cargado 69 2.7.11 Sensor de flujo de aire de película fina 70 2.7.12 Sensor de flujo de vórtice 70 2.7.13 Tubo de Pitot 71 2.7.14 Sensor de flujo de fluidos de turbina 71 2.7.15 Sensores ópticos 72 2.7.16 Sensores de oxígeno 72 2.7.17 Sensores de luz 73 2.7.18 Sensor de temperatura del aire de película gruesa 74 2.7.19 Sensor de metanol 74 2.7.20 Sensor de lluvia 74 2.7.21 Sensor de aceite 75 2.7.22 Sensores de posición de la dinámica vehicular 75 2.7.23 Resumen 76 2.8 Actuadores 77 2.8.1 Introducción 77 2.8.2 Actuadores de solenoide 77 2.8.3 Válvula EGR 78 2.8.4 Actuadores motorizados 79 2.8.5 Motores de avance 80 2.8.6 Motores sincronizados 84 2.8.7 Actuadores térmicos 84 2.9 Componentes electrónicos de prueba, sensores y actuadores 84 2.1.9 Introducción 84 2.9.2 Sensores de prueba 85 2.9.3 Actuadores de prueba 86 Capítulo 3 Herramientas y equipo 87 3.1 Equipo básico 87 3.1.1 Introducción 87 3.1.2 Herramientas manuales básicas 87 3.1.3 Precisión del equipo de pruebas 88 3.1.4 Multímetros 89 3.1.5 Sonda lógica 91 3.2 Osciloscopios 93 3.2.1 Introducción 93 3.2.2 Formas de onda 94 3.3 Escáneres, lectores de código de fallas y analizadores 95 3.3.1 Introducción a los diagnósticos a bordo 95 3.3.2 Comunicaciones de puertos en serie 95 3.3.3 Protocolos de señal OBD2 96 3.3.4 Escáner OBD de AutoTap 97 Contenidoviii 3.3.5 Equipo de diagnóstico KTS de Bosch 99 3.3.6 Analizadores de motor 101 3.4 Prueba de emisiones 103 3.4.1 Introducción 103 3.4.2 Medición de los gases del sistema de escape 103 3.4.3 Analizador de los gases del sistema de escape 104 3.4.4 Límites de emisiones 106 3.5 Prueba de la presión 108 3.5.1 Introducción 108 3.5.2 Transductor de osciloscopio de presión automotriz 109 3.5.3 Cajas de salida 110 3.6 Procedimientos de diagnóstico 110 3.6.1 Introducción 110 3.6.2 La “teoría” de los diagnósticos 111 Capítulo 4 Sistemas eléctricos y circuitos 113 4.1 Método de sistemas 113 4.1.1 ¿Qué es un sistema? 113 4.1.2 Sistemas del vehículo 113 4.1.3 Sistemas de circuito abierto 114 4.1.4 Sistemas de circuito cerrado 114 4.1.5 Resumen 115 4.2 Cableado eléctrico, terminales e interruptor 115 4.2.1 Cables 115 4.2.2 Códigos de color y nominaciones de terminales 116 4.2.3 Diseño de arnés 119 4.2.4 Circuitos impresos 122 4.2.5 Fusibles y cortacircuitos 123 4.2.6 Terminales 125 4.2.7 Interruptores 127 4.3 Multiplexión 129 4.3.1 Límites del sistema de cableado convencional 129 4.3.2 Bus de datos multiplex 131 4.3.3 Resumen 131 4.3.4 Controlador de red de área (CAN) 133 4.3.5 Señales de datos de CAN 135 4.3.6 Red de interconexión local (LIN) 139 4.3.7 FlexRay 141 4.4 Transporte de sistemas orientados a medios (MOST) 144 4.4.1 Introducción 144 4.4.2 Red de MOST 144 Contenido ix 4.4.3 Protocolo 145 4.4.4 Aplicaciones de MOST 146 4.4.5 Compuerta de un dispositivo de consumidor 146 4.4.6 Resumen 146 4.5 Ethernet automotriz 147 4.5.1 Introducción 147 4.5.2 Resumen 147 4.6 Diagramas y símbolos de circuitos 148 4.6.1 Símbolos 148 4.6.2 Diagramas de circuitos convencionales 148 4.6.3 Trazo o diagramas de cableado 148 4.6.4 Diagramas de terminales 148 4.6.5 Diagramas de flujo de corriente 150 4.7 Compatibilidad electromagnética 150 4.7.1 Introducción 150 4.7.2 Problemas de EMC 150 4.8 Control eléctrico central 153 4.8.1 Resumen 153 4.8.2 Módulo electrónico genérico de Ford (GEM) 155 4.8.3 Comunicación entre módulos 161 4.8.4 Resumen 166 4.9 Automóviles conectados 166 4.9.1 Introducción 166 4.9.2 Automóviles inteligentes y sistemas de tráfico 166 4.9.3 Automóviles WiFi 169 4.9.4 Bluetooth 170 4.9.5 Aplicaciones (apps) 171 4.9.6 Mejora de la visión 172 4.9.7 Autoayuda 173 4.9.8 Hermano grande 174 4.9.9 Cuando las computadoras fallan 174 4.9.10 Resumen 175 Capítulo5 Baterías 177 5.1 Baterías de automóvil 177 5.1.1 Requerimientos de la batería de un automóvil 177 5.1.2 Elección de la batería correcta 178 5.1.3 Posicionamiento de la batería en el auto 178 5.2 Baterías de plomo ácido 179 5.2.1 Construcción 179 5.2.2 Clasificación de baterías 180 5.3 Mantenimiento, carga y pruebas de batería 182 Contenidox SiStemaS eléctrico y electrónico del automóvil/denton 5.3.1 Mantenimiento 182 5.3.2 Carga de la batería de plomo ácido 182 5.3.3 Servicio a la batería 185 5.3.4 Fallas de la batería 185 5.3.5 Prueba de baterías 185 5.3.6 Seguridad 189 5.4 Tecnología avanzada en baterías 189 5.4.1 Electroquímica 189 5.4.2 Conducción electrolítica 190 5.4.3 Ley de Ohm y resistencia electrolítica 190 5.4.4 Acción electroquímica de la batería de plomo ácido 191 5.4.5 Características 193 5.4.6 Ley de Peukert 194 5.5 Desarrollos en el almacenamiento eléctrico 194 5.5.1 Plomo ácido 194 5.5.2 Alcalinas 195 5.5.3 ZEBRA 197 5.5.4 Sulfuro de sodio 197 5.5.5 Swing 197 5.5.6 Celdas de combustible 198 5.5.7 Súper condensadores 201 5.5.8 Resumen 201 Capítulo 6 Carga 203 6.1 Requerimientos del sistema de carga 203 6.1.1 Introducción 203 6.1.2 Fundamentos de funcionamiento 203 6.1.3 Cargas eléctricas del automóvil 204 6.2 Principales sistemas de carga 206 6.2.1 Principios fundamentales 206 6.2.2 Voltajes de carga 206 6.2.3 Circuitos de carga 207 6.2.4 Generación de electricidad 207 6.2.5 Rectificación de CA a CD 209 6.2.6 Regulación del voltaje (tensión) de salida 212 6.3 Alternadores 216 6.3.1 Alternador compacto Bosch 216 6.3.2 Alternadores eficientes 218 6.3.3 Alternadores con enfriamiento por agua 219 6.3.4 Alternadores Denso de alta salida 220 6.3.5 Procedimiento de prueba del sistema de carga 220 lldur_000 Cuadro de texto Contenido xi 6.4 Carga inteligente 221 6.4.1 Introducción y regulación de un circuito cerrado 221 6.4.2 Regulación de circuito abierto 223 6.4.3 Desempeño del motor 223 6.4.4 Condiciones de falla 225 6.4.5 Resumen 225 6.5 Tecnología de sistema avanzado de carga 225 6.5.1 Sistema de carga, problemas y soluciones 225 6.5.2 Cálculo del balance de la carga 228 6.5.3 Características del alternador 229 6.5.4 Consideraciones mecánicas y externas 230 Capítulo 7 Arranque 231 7.1 Requerimientos del sistema de arranque 231 7.1.1 Requerimientos de arranque del motor 231 7.1.2 Diseño del sistema de arranque 232 7.1.3 Elección de un motor de arranque 234 7.2 Motores y circuitos de arranque 236 7.2.1 Circuitos de sistemas de arranque 236 7.2.2 Circuitos de ejemplo 236 7.2.3 Prueba del circuito del motor de arranque 239 7.2.4 Principio de operación 240 7.2.5 Características de un motor de CD 243 7.3 Tipos de motor de arranque 244 7.3.1 Arrancadores de inercia 244 7.3.2 Arrancadores preacoplados 245 7.3.3 Arrancadores de imán permanente 247 7.3.4 Arrancadores integrados 249 7.3.5 Control de arranque electrónico 249 7.3.6 Instalación del arrancador 249 7.3.7 Generador de arrancador de transmisión por banda 250 7.3.8 Resumen 251 7.4 Tecnología avanzada del sistema de arranque 252 7.4.1 Velocidad, torque y potencia 252 7.4.2 Eficiencia 253 Capítulo 8 Encendido 255 8.1 Fundamentos del sistema de encendido 255 8.1.1 Requerimientos funcionales 255 8.1.2 Generación de alta tensión 255 8.1.3 Ángulo de avance (regulación) 256 Contenidoxii 8.1.4 Consumo de gasolina y emisión de gases del escape 257 8.1.5 Interruptor automático de encendido 257 8.1.6 Conductores de bujía 258 8.1.7 Núcleos de bobinas de encendido 258 8.2 Encendido electrónico 260 8.2.1 Introducción 260 8.2.2 Sistemas de dilatación constante 260 8.2.3 Sistemas de energía constante 261 8.2.4 Efecto Hall del generador de pulsos 261 8.2.5 Generador de pulso inductivo 262 8.2.6 Otros generadores de pulso 262 8.2.7 Control de ángulo de dilatación (circuito abierto) 264 8.2.8 Limitantes de la corriente y dilatación de ciclo cerrado 265 8.2.9 Encendido de descarga de condensador 266 8.3 Avance de chispa electrónico 267 8.3.1 Repaso 267 8.3.2 Sensores e información de entrada 268 8.3.3 Unidad de control electrónico 269 8.4 Encendido sin distribuidor 272 8.4.1 Principio de funcionamiento 272 8.4.2 Componentes del sistema 273 8.5 Encendido por bobina en bujía (COP) 273 8.5.1 Descripción general 273 8.5.2 Control de encendido 275 8.6 Bujías 275 8.6.1 Requerimientos funcionales 275 8.6.2 Construcción 276 8.6.3 Rango de calor 277 8.6.4 Materiales del electrodo 278 8.6.5 Separación del electrodo 279 8.6.6 Bujía en V 279 8.6.7 Elección de la mejor bujía 280 8.6.8 Desarrollo de bujías 281 8.7 Resumen 281 8.7.1 Compendio 281 8.7.2 Procedimiento de prueba 283 8.8 Tecnología de encendido avanzada 285 8.8.1 Desempeño de la bobina de encendido 285 Capítulo 9 Control de combustible 9.1 Combustión 9.1.1 Introducción 287 287 287 Contenido xiii 9.1.2 Proceso de combustión de motores de encendido por chispa 287 9.1.3 Rango y velocidad de combustión 289 9.1.4 Detonación 289 9.1.5 Preignición 291 9.1.6 Cámara de combustión 292 9.1.7 Estratificación de la carga del cilindro 292 9.1.8 Fuerza y rendimiento de la mezcla 292 9.1.9 Motores de encendido por compresión (CI) 293 9.1.10 Diseño de la cámara de combustión; motores de diésel 296 9.1.11 Resumen de la combustión 296 9.2 Aprovisionamiento de combustible y emisiones de gases del escape de un motor 297 9.2.1 Condiciones de funcionamiento 297 9.2.2 Emisiones de gases del escape 297 9.2.3 Otras fuentes de emisiones 298 9.2.4 Combustible con y sin plomo 299 9.3 Emisiones y ciclos de conducción 300 9.3.1 Regulaciones sobre emisiones de escape 300 9.3.2 Ciclos de prueba 301 9.4 Control electrónico de carburación 304 9.4.1 Principios básicos de carburación 304 9.4.2 Áreas de control 305 9.5 Inyección de combustible 306 9.5.1 Ventajas de la inyección de combustible 306 9.5.2 Consideraciones sobre el sistema 307 9.5.3 Componentes de un sistema de inyección de combustible 310 9.5.4 Jectronic “L” de Bosch; variaciones 314 9.5.5 Mono Jetronic de Bosch; punto único de inyección de combustible 315 9.5.6 Inyección multipunto secuencial 317 9.5.7 Tecnología de combustión pobre 318 9.5.8 Inyectores dobles de combustible 320 9.6 Inyección de combustible diésel 321 9.6.1 Introducción 321 9.6.2 Consideraciones sobre la inyección 326 9.6.3 Emisiones de gases de escape de diésel 327 9.6.4 Control electrónico de la inyección de diésel 328 9.6.5 Sistema de bomba rotatoria 329 9.6.6 Sistema de rail común 332 9.6.7 Inyección unitaria electrónica (EUI): combustible diésel 337 Contenidoxiv 9.6.8 Sensor lambda diésel 339 9.6.9 Tratamiento de emisiones de escape 340 9.7 Resumen 341 9.7.1 Consideraciones 341 9.7.2 Diagnóstico de los sistemas de control de combustible 342 9.8 Tecnología avanzada del control de combustible 343 9.8.1 Cálculo de la proporción aire y combustible 343 Capítulo 10 Administración del motor 345 10.1 Introducción de encendido y combustible combinados 345 10.1.1 Introducción 345 10.1.2 Tracto variable de admisión 346 10.1.3 Sensores de flama de combustión y de presión 346 10.1.4 Sensores lambda de amplio rango 347 10.1.5 Inyectores con cubierta de aire 347 10.2 Control de emisiones del sistema de escape 347 10.2.1 Diseño de la máquina 347 10.2.2 Diseño de la cámara de combustión 347 10.2.3 Proporción de la compresión 348 10.2.4 Distribución del encendido de válvulas (timing) 348 10.2.5 Diseños del múltiple 348 10.2.6 Estratificación de la carga 348 10.2.7 Tiempo de calentamiento 348 10.2.8 Recirculación de los gases de salida del escape 349 10.2.9 Sistema de encendido/ignición 350 10.2.10 Combustión retardada térmica 350 10.2.11 Convertidores catalíticos 350 10.2.12 Control lambda de ciclo cerrado 353 10.3 Sistemas de administracióndel motor 354 10.3.1 M3 Monotronic 354 10.3.2 DI Monotronic (inyección directa) 365 10.3.3 Principios del ME-Motronic 370 10.4 Otros aspectos de la administración del motor 371 10.4.1 Introducción 371 10.4.2 Timing de válvula variable 371 10.4.3 Motores de combustión pobre 374 10.4.4 Motores de dos tiempos 374 10.4.5 Sistema de control de combustión 375 10.4.6 Enfriamiento activo 377 10.4.7 Tendencias motrices; ignición por bujía 379 Contenido xv 10.4.8 Combustión transónica 380 10.4.9 Tecnología de motores F1 381 10.4.10 Diagnóstico de sistemas de administración del motor 382 10.5 Tecnología avanzada de administración del motor 386 10.5.1 Cálculos de densidad de velocidad y de combustible 386 10.5.2 Cálculo del timing de encendido 387 10.5.3 Cálculo de retardo 388 10.5.4 Cálculo de duración de la inyección 388 10.5.5 Software de desarrollo y comprobación 389 10.5.6 Programa de simulación 391 10.5.7 Hot chipping 391 10.5.8 Inteligencia artificial 393 10.5.9 Computación neural 395 Capítulo 11 Iluminación 397 11.1 Fundamentos de iluminación 397 11.1.1 Introducción 397 11.1.2 Focos 397 11.1.3 Luces externas 399 11.1.4 Reflectores delanteros 400 11.1.5 Reflectores de forma compuesta 402 11.1.6 Lentes de faro delantero 403 11.1.7 Nivelado de luces 404 11.1.8 Ajuste del haz luminoso de faros delanteros 405 11.2 Circuitos de iluminación 407 11.2.1 Circuito básico de iluminación 407 11.2.2 Circuito de disminución del ángulo de inclinación (Dim-dip) 407 11.2.3 Circuito general de iluminación 409 11.2.4 Diagrama de flujo del circuito de iluminación 410 11.2.5 Circuito de control de iluminación central 410 11.2.6 Procedimiento para pruebas 410 11.3 Descarga de gases, LED, y luz infrarroja 413 11.3.1 Lámparas de descarga de gases 413 11.3.2 Iluminación de xenón 415 11.3.3 Luces delanteras ultravioleta 417 11.3.4 Iluminación de LED 418 11.3.5 Luces infrarrojas 419 11.4 Otras técnicas de iluminación 420 11.4.1 Lámparas de señales monocromáticas 420 Contenidoxvi 11.4.2 Iluminación lineal 420 11.4.3 Tecnología de neón 420 11.4.4 Luz de flexión 421 11.4.5 Iluminación delantera inteligente 422 11.5 Tecnología avanzada de iluminación 423 11.5.1 Términos y definiciones de iluminación 423 11.5.2 Iluminación de fuente única 424 Capítulo 12 Auxiliares 427 12.1 Lavadores y limpiaparabrisas 427 12.1.1 Requisitos funcionales 427 12.1.2 Hojas de limpiadores 428 12.1.3 Articulaciones de limpiaparabrisas 429 12.1.4 Motores de limpiaparabrisas 430 12.1.5 Lavadores de parabrisas 431 12.1.6 Circuitos de lavador y limpiaparabrisas 432 12.1.7 Control electrónico de limpiadores de parabrisas 434 12.1.8 Limpiadores sincronizados 435 12.1.9 Control de presión en las hojas del limpiador 436 12.1.10 Sistemas lineales de limpiadores 437 12.2 Circuitos de señalización 12.2.1 Introducción 438 12.2.2 Unidades de destellador 438 12.2.3 Luces de frenado 440 12.2.4 Circuito de indicadores y de peligro 440 12.3 Otros sistemas auxiliares 441 12.3.1 Bocinas eléctricas 441 12.3.2 Motores de ventilador de enfriamiento del motor 442 12.3.3 Limpiadores y lavadores de faros delanteros 443 12.3.4 Otros circuitos 443 12.3.5 Diagnóstico de fallas de sistemas auxiliares 444 12.4 Tecnología avanzada en sistemas auxiliares 444 12.4.1 Cálculos de par motor de motores de limpiadores 444 12.4.2 Motor PM; control electrónico de velocidad 445 Capítulo 13 Equipo de instrumentos 447 13.1 Indicadores y sensores 447 13.1.1 Introducción 447 13.1.2 Sensores 447 13.1.3 Indicadores de tipo térmico 449 Contenido xvii 13.1.4 Indicadores de hierro móviles 450 13.1.5 Indicadores sin núcleo magnético 451 13.1.6 Otros tipos de indicadores 453 13.1.7 Sistema digital de instrumentos 454 13.2 Indicadores visuales 456 13.2.1 Elección del mejor indicador; legibilidad 456 13.2.2 Pantallas de diodo emisor de luz 457 13.2.3 Pantallas de cristal líquido 457 13.2.4 Pantallas de vacío fluorescente 459 13.2.5 Pantallas al frente 460 13.2.6 Iluminación de instrumentos por electroluminiscencia 461 13.2.7 Resumen de las técnicas de despliegue 462 13.2.8 Fallas en sistemas de instrumentos 464 13.3 Sistema de Posicionamiento Global (GPS) 465 13.3.1 Introducción 465 13.3.2 Cálculo de posición 466 13.3.3 Sensores 467 13.3.4 Entrada y salida de datos 467 13.3.5 Precisión 467 13.4 Información del conductor 468 13.4.1 Monitoreo del estado del vehículo 468 13.4.2 Computadora de viaje 471 13.5 Tecnología avanzada de instrumentación 472 13.5.1 Pantallas multiplexadas 472 13.5.2 Cuantización 473 13.5.3 Holografía 473 13.5.4 Telemetría 473 13.5.5 Telemática 476 CAPÍTULO 14 Ventilación, calefacción y aire acondicionado 481 14.1 Calefacción y ventilación convencionales 481 14.1.1 Introducción 481 14.1.2 Ventilación 482 14.1.3 Sistema de calefacción; motor de enfriamiento por agua 483 14.1.4 Motores compresores de calentamiento 484 14.1.5 Control electrónico de calentamiento 485 14.2 Aire acondicionado 486 14.2.1 Introducción 486 14.2.2 Principio de la refrigeración 486 14.2.3 Descripción aire acondicionado 487 Contenidoxviii 14.2.4 Sistema y componentes de aire acondicionado 488 14.2.5 Control automático de temperatura 494 14.2.6 Aire acondicionado conducido por electricidad 494 14.3 Otros sistemas de calefacción 495 14.3.1 Calefacción del asiento 495 14.3.2 Calefacción de pantalla 496 14.3.3 Funcionamiento del calefactor 497 14.3.4 Fallas en el sistema de aire acondicionado 497 14.4 Tecnología avanzada en el control de temperatura 498 14.4.1 Transferencia de calor 498 14.4.2 Tipos de calor y temperatura 499 14.4.3 Reacción de armadura 499 14.4.4 Novedades en refrigerantes 500 CAPÍTULO 15 Chasis eléctrico 503 15.1 Frenos antibloqueo 503 15.1.1 Introducción 503 15.1.2 Requerimientos del ABS 504 15.1.3 Descripción general del sistema 504 15.1.4 Componentes 506 15.1.5 Control del sistema de frenado antibloqueo 509 15.1.6 Estrategia de control 509 15.1.7 Frenos antibloqueo de Honda 510 15.2 Tracción y control de estabilidad 511 15.2.1 Introducción 511 15.2.2 Funciones control 511 15.2.3 Operación del sistema 513 15.2.4 Programa de estabilidad electrónico (ESP) 513 15.3 Suspensión activa 517 15.3.1 Repaso 517 15.3.2 Sensores y actuadores 519 15.3.3 MagneRide de Delphi 520 15.4 Transmisión automática 523 15.4.1 Introducción 523 15.4.2 Control de cambio de velocidades y convertidor de par de torsión del motor 523 15.4.3 Tiptronic 525 15.4.4 Resumen 527 15.5 Otros sistemas eléctricos del chasis 527 15.5.1 Dirección con energia eléctrica 527 15.5.2 Transmisión manual robotizada 529 15.5.3 Reducción activa de balanceo 530 Contenido xix 15.5.4 Diferencial electrónico de deslizamiento limitado 531 15.5.5 Sistemas de asistencia de frenado 531 15.5.6 Por cable X 532 15.5.7 Diagnóstico de fallas en el sistema eléctrico del chasis 536 15.6 Tecnología avanzada de sistemas de chasis 538 15.6.1 Superficie de carretera y fricción de llantas 538 15.6.2 Ciclos de control del ABS 541 15.6.3 Cálculos de control de tracción 542 CAPÍTULO 16 Comodidad y seguridad 543 16.1 Asientos, espejos y quemacocos 543 16.1.1 Introducción 543 16.1.2 Ajuste eléctrico del asiento 543 16.1.3 Espejos eléctricos 545 16.1.4 Operación del quemacocos eléctrico 546 16.1.5 Circuito de control del asiento 546 16.2 Cierre central y ventanas eléctricas 547 16.2.1 Circuito de bloqueo de puertas 547 16.2.2 Operación de ventanas eléctricas 548 16.2.3 Circuito ejemplo de ventanas eléctricas 551 16.3 Control de crucero 552 16.3.1 Introducción 552 16.3.2 Descripción del sistema 553 16.3.3 Componentes 554 16.3.4 Control de crucero adaptado 555 16.4 Multimedia integrada al auto 556 16.4.1 Introducción 556 16.4.2 Bocinas 557 16.4.3Entretenimiento en el auto (ICE) 558 16.4.4 Sistemas de datos de radio (RDS) 558 16.4.5 Sistema de datos de transmisiones de la radio (RBDS) 559 16.4.6 Recepción de radio 560 16.4.7 Transmisión de audio digital (DAB) 561 16.4.8 Supresión de interferencia 561 16.4.9 Comunicaciones por teléfonos móviles 564 16.5 Seguridad 565 16.5.1 Introducción 565 16.5.2 Seguridad básica 566 16.5.3 Lo máximo en cuestiones de seguridad 566 16.5.4 Seguridad codificada de las ECU 568 Contenidoxx 16.5.5 Alarmas e inmovilizadores 568 16.5.6 Llaves 571 16.6 Bolsa de aire y tensores de cinturones 573 16.6.1 Introducción 573 16.6.2 Cómo opera el sistema 573 16.6.3 Componentes y circuito 575 16.6.4 Tensores de cinturones de seguridad 578 16.6.5 Bolsas de aire laterales 578 16.6.6 Sistema inteligente de sensores de bolsa de aire 578 16.7 Otros sistemas de seguridad y comodidad 580 16.7.1 Radar para evitar obstáculos 580 16.7.2 Advertencia de presión de llantas 582 16.7.3 Control del ruido 583 16.7.4 Espejos que minimizan los autos 585 16.7.5 Sistema de estacionado automático 585 16.7.6 Procedimiento de diagnóstico general de sistemas 587 16.8 Tecnología avanzada de sistemas de comodidad y seguridad 588 16.8.1 Control de crucero y respuesta del sistema 588 16.8.2 Cálculos de supresión de radio 589 CAPÍTULO 17 Combustible alternativo, y vehículos híbridos y eléctricos 591 17.1 Combustibles alternativos 591 17.1.1 Introducción 591 17.1.2 Combustibles 591 17.2 Vehículos eléctricos (VE) 596 17.2.1 Introducción 596 17.2.2 Sistema de conducción eléctrico 596 17.2.3 Baterías de los VE 596 17.2.4 Motores de impulso 597 17.2.5 El EV-1 de General Motors 600 17.2.6 Roadster de Tesla 601 17.2.7 Caso de estudio; Clarity FCX de Honda 609 17.2.8 Resumen de los VE 621 17.3 Vehículos eléctricos híbridos (HEV) 622 17.3.1 Introducción 622 17.3.2 Híbridos ligeros de Honda 622 17.3.3 Tecnología de Bosch en el totalmente híbrido en paralelo 640 17.3.4 Caso de estudio del híbrido de Nissan 643 Contenido xxi 17.4 Carga de VE inalámbrica 645 17.4.1 Introducción 645 17.4.2 Transferencia inductiva de potencia 645 17.4.3 Panorama de tecnología 645 17.4.4 Sistema IPT 646 17.4.5 Diagrama detallado 647 17.4.6 Administración de la batería 648 17.4.7 Parámetros del sistema 648 17.4.8 Resumen 649 17.5 Tecnología avanzada del vehículo eléctrico 649 17.5.1 Características del torque y potencia del motor 649 17.5.2 Técnicas de optimización; modelado matemático 649 Capítulo 18 Actividades de aprendizaje 653 18.1 Introducción 653 18.2 Compruebe su conocimiento y aprenda más 654 18.2.1 Evolución del sistema eléctrico del automóvil 654 18.2.2. Principios eléctricos y electrónicos 654 18.2.3 Herramientas y equipo 656 18.2.4 Sistemas y circuitos eléctricos 658 18.2.5 Baterías 659 18.2.6 Carga 661 18.2.7 Arranque 663 18.2.8 Encendido 665 18.2.9 Control de combustible 667 18.2.10 Administración de la máquina (motor) 668 18.2.11 Iluminación 670 18.2.12 Auxiliares 672 18.2.13 Instrumentación 674 18.2.14 Calefacción y aire acondicionado 675 18.2.15 Electricidad del chasis 677 18.2.16 Comodidad y seguridad 679 18.2.17 Combustible alternativo, y vehículos híbridos y eléctricos 680 18.3 Programa de simulación 681 18.4 Últimas palabras 682 Referencias 684 Índice 685 Prefacio Los sistemas eléctricos y electrónicos del automóvil son al mismo tiempo los aspectos más complejos pero a la vez los más interesantes de un vehículo. Al menos así me parece, y por eso en particular estoy encantado de haber producido ¡la cuarta edición de este libro! En esta edición encontrará más detalles sobre los EV y los HEV al igual que algunas de las últimas ideas sobre redes de vehículos y mucho más. Este libro es el segundo en la serie “Tecnología automotriz: Mantenimiento y reparación del vehículo”: • Sistemas mecánicos y eléctricos del automóvil • Sistemas eléctricos y electrónicos del automóvil, 4ª. edición • Diagnóstico avanzado de fallas del automóvil, 3ª. edición Idealmente usted debió haber estudiado el libro de mecánica, o tener alguna experiencia, antes de empezar con éste. Si no, habrá que empezar con lo básico. Éste es el primer libro de su tipo en ser publicado a todo color y se concentra en los principios eléctricos y electrónicos al mismo tiempo que en casos de estudio y ejemplos comprehensivos. Contiene todo lo que usted necesita para avanzar en sus estudios a un nivel alto, no importa qué calificación (si la hubiera) desee alcanzar. Espero que halle el contenido útil e informativo. El último capítulo de este libro contiene tareas, preguntas, temas de investigación y mucho más. Puede consultarlo en cualquier momento o esperar hasta que haya estudiado el resto del libro. ¡Buena suerte, y espero que encuentre la tecnología automotriz tan interesante como yo aún la siento! Reconocimientos Durante años muchas personas me han ayudado en la producción de mis libros. Por eso es que estoy muy agradecido con las siguientes empresas que han proporcionado información e inclusive permisos para reproducir fotografías y/o diagramas: AA Photo Library AC Delco Alpine Audio Systems ATT Training (UK and USA) Autologic Data Systems BMW UK Bosch Gmbh Bosch Media C&K Components Citroën UK Clarion Car Audio Delphi Media Eberspaecher Fluke Instruments UK Ford Motor Company Ford Media FreeScale Electronics General Motors GenRad Hella UK Honda Cars UK Hyundai UK Jaguar Cars Kavlico Loctite Lucas UK LucasVarity Mazda McLaren Electronic Systems Mercedes Cars UK Mitsubishi Cars UK NGK Plugs Nissan Cars UK Most Corporation Peugeot UK Philips PicoTech Pioneer Radio Porsche Cars UK Robert Bosch GmbH. Robert Bosch UK Rover Cars Saab Cars UK Saab Media Scandmec SMSC Snap-on Tools Sofanou (France) Sun Electric UK Tesla Motors Thrust SSC Land Speed Team T&M Auto-Electrical Toyota Cars UK Tracker UK Unipart Group Valeo Vauxhall VDO Instruments Volvo Media Volkswagen cars Wikimedia ZF Servomatic Si hubiere utilizado alguna información, o mencionado el nombre de alguna compañía que no aparezca aquí, por favor acepte mis disculpas y hágamelo saber para que se rectifique tan pronto como sea posible. Glosario de abreviaturas y acrónimos Terminología OBD2/SAE ABS sistema de freno antibloqueo AC (AA) aire acondicionado AC limpiador de aire AIR inyección secundaria de aire A/T transmisión o transeje automático SAP pedal acelerador B+ voltaje positivo de la batería BARO presión barométrica CAC enfriador de aire de carga CFI inyección continua de combustible CL ciclo cerrado CKP sensor de posición cigüeñal CKP REF referencia de cigüeñal CMP sensor de posición de árbol de levas CMP REF referencia de árbol de levas CO monóxido de carbono CO2 bióxido de carbono CPP posición del pedal de embrague CTOX oxidante de trampa continua CTP posición de ahogador cerrado DEPS sensor digital de posición de la máquina DFCO modo de desaceleración de cierre de admisión DFI inyección directa de combustible DLC conector de enlaces de datos DPF filtro de partículas de diésel DTC código de diagnóstico de problemas DTM modo de diagnóstico de prueba EBCM módulo de control electrónico de freno EC control de máquina (motor) ECM módulo de control de motor ECL nivel de refrigerante de motor ECT temperatura de refrigerante del motor EEPROM memoria de sólo lectura de borrado programable eléctricamente EFE evaporación temprana de combustible EGR recirculación de gases del escape EGRT temperatura del EGR EI encendido electrónico EM modificación de máquina EPROM memoria de sólo lectura de borrado programable Glosario de abreviaturas y acrónimosxxviii ESC control de estabilidad electrónico EVAP sistema de emisión evaporativo FF combustible flexible FP bomba de combustible FPROM memoria desólo lectura de borrado de intermitentes programable FT ajuste de combustible FTP procedimiento federal de pruebas GCM módulo de control del gobernador GEN generador GND aterrizado H2O agua HO2S sensor de oxígeno calentado HO2S1 sensor de flujo alto de oxígeno calentado HO2S2 sensor de flujo alto o bajo de oxígeno calentado HO2S3 sensor de flujo bajo de oxígeno calentado HC hidrocarburo HVS interruptor de alto voltaje HVAC sistema de calefacción y aire acondicionado IA admisión de aire IAC control de aire al ralentí IAT temperatura del aire de admisión IC circuito de control de encendido ICM módulo y control de encendido IFI inyección indirecta de combustible IFS corte de combustible por inercia I/M inspección/mantenimiento IPC conjunto del panel de instrumentos ISC control de la velocidad en ralentí KOEC llave abierta, arranque de motor KOEO llave abierta, apagado de motor KOER llave abierta, motor en marcha KS sensor de golpeteo KSM módulo de sensor de golpeteo LTFT ajuste de combustible en el largo plazo MAF sensor de flujo de masa de aire MAP sensor de presión absoluta del múltiple MC control de mezcla MDP presión diferencial del múltiple MFI inyección de combustible por multipuerto MIL lámpara indicadora de malfuncionamiento MPH millas por hora MST temperatura superficial del múltiple MVZ zona de vacío del múltiple NVRAM memoria de acceso aleatorio no volátil NOx óxidos de nitrógeno O2S sensor de oxígeno OBD diagnósticos a bordo OBDI diagnósticos a bordo primera generación OBDII diagnósticos a bordo segunda generación OC catalizador de oxidación ODM monitor de dispositivo de salida OL circuito abierto OSC almacenaje del sensor de oxígeno Glosario de abreviaturas y acrónimos xxix PAIR inyección de aire impulsada secundaria PCM módulo de control de tren de potencia PCV ventilación positiva de la caja de arranque PNP interruptor de aparcamiento/neutro PROM memoria de programa de sólo lectura PSA conjunto de interruptores de presión PSP presión de servodirección PTOX oxidante de trampa periódica RAM memoria de acceso aleatorio RM módulo relevador ROM memoria de sólo lectura rpm revoluciones por minuto SC súper cargador SCB división del súper cargador SDM modo de diagnóstico por sensación SFI inyección de combustible en secuencia SRI indicador de recordación de servicio SRT prueba de celeridad del sistema STFT ajuste de combustible en el corto plazo TB cuerpo del ahogador TBI inyección de cuerpo del ahogador TC turbocargador TCC embrague convertidor de par TCM módulo de control de transmisión o de transeje TFP presión del fluido del ahogador TP posición del ahogador TPS sensor de posición del ahogador TVV válvula térmica de vacío TWC catalizador de tres vías TWX+OC convertidor catalítico de tres vías + oxidación VAF flujo de aire en volumen VCM módulo de control del vehículo VR regulador de voltaje VS sensor de vehículo VSS sensor de velocidad del vehículo WU-TWC convertidor catalítico de calentamiento de tres vías WOT ahogador abierto totalmente OEM y demás terminología A amperes AC aire acondicionado A/F razón aire combustible A/T transmisión automática AAV válvula anti combustión retardada (Mazda) ABS sistema de freno antibloqueo ABSV solenoide de división de paso del aire (Mazda) AC corriente alterna (CA) ACTS sensor de temperatura de carga de aire (Ford) AERA Automotive Engine Rebuilders Association AFM medidor de flujo de aire AFS sensor de flujo de aire (Mitsubishi) Glosario de abreviaturas y acrónimosxxx AIR reacción de inyección de aire (GM) AIS sistema de inyección de aire (Chrysler) AIS motor en velocidad de ralentí automática (Chrysler) ALCL enlace de comunicaciones de la línea de ensamble (GM) ALDL enlace de datos de la línea de ensamble (GM) API American Petroleum Institute APS sensor de presión absoluta (GM) APS sensor de presión atmosférica (Mazda) ASD relevador de caída automático (Chrysler) ASDM módulo de diagnóstico del sistema de la bolsa de aire ASE Excelencia de Servicio Automotriz ATC punto anteroposterior ATDC punto muerto anteroposterior ATF fluido de transmisión automática ATMC Automotive Training Managers Council ATS sensor de temperatura de aire (Chrysler) AWD conducción de las cuatro ruedas BARO sensor de presión barométrica (GM) BAT batería BCM módulo de control del chasis (GM) BHP caballos de fuerza de frenado BID descarga inductiva sin frenado (AMC) BMAP sensor de presión absoluta de múltiple/barométrica (Ford) BP sensor de presión de fondo (Ford) BPS sensor de presión barométrica (Ford y Nissan) BPT transductor de presión de fondo BTC punto anterior BTDC punto muerto anterior Btu unidades térmicas inglesas C Celsius C3 sistema de control de comando de cómputo (GM) C3I encendido de bobina controlado por computadora (GM) C4 sistema de convertidor catalítico controlado por computadora (GM) CAAT Council of Advanced Automotive Trainers CAFE economía de combustible corporativo promedio CALPACK paquete de calibración CANP válvula de solenoide de purga de canister (Ford) CARB California Aire Resources Board CAS sistema de aire limpio (Chrysler) CAS sensor de ángulo de arranque CC convertidor catalítico CC centímetros cúbicos CCC sistema de control de mandos por computadora (Ford) CCD retardo controlado por computadora (Ford) CCEI enriquecimiento de ralentí controlado por refrigerante (Chrysler) CCEV interruptor de vacío de motor controlado por refrigerante (Chrysler) CCOT orificio tubular de embrague cíclico CCP purga de canister controlada (GM) CCV válvula de control de canister CDI encendido por descarga del condensador (AMC) CEAB hojas de aire de enfriamiento de motor CEC sistema de control de emisiones del cárter del cigueñal (Honda) Glosario de abreviaturas y acrónimos xxxi CECU unidad de control electrónico central (Nissan) CER varilla de mejora de frío (Ford) CESS interruptor de sensor de enfriamiento de motor CFC clorofluorocarbonos CFI inyección cruzada de encendido (Chevrolet) cfm pies cúbicos por minuto CID desplazamiento por pulgada cúbica CID sensor de identificación de cilindro (Ford) CIS sistema de inyección continua (Bosch) CMP sensor de posición de árbol de levas (GM) COP encendido de bobina en bujía CP purga de canister (GM) CPI inyección de puerto central (GM) CPU unidad de procesamiento central CSC control de enfriamiento de chispa (Ford) CSSA avance de chispa de encendido en frío (Ford) CSSH mantenimiento de chispa de encendido en frío (Ford) CTAV vacío de temperatura en frío actuado (Ford) CTO interruptor en sobremarcha de enfriador de temperatura (AMC) CTS interruptor de carga de temperatura (Chrysler) CTS sensor de enfriador de temperatura (GM) CTVS interruptor de vacío de choque térmico CVCC sistema de combustión controlada de vórtice compuesto (Honda) CVR regulador de control de vacío (Ford) dB decibeles DC corriente directa (CD) DEFI inyección de combustible digital electrónica (Cadillac) DERM módulo de diagnóstico de energía de reserva (GM) DFS corte de combustible en desaceleración (Ford) DIS sistema de encendido directo (GM) DIS sistema de encendido sin distribuidor (Ford) DLC conector de enlace de datos (GM) DOHC levas de culata en dual DOT departamento de transportación DPF filtro de partículas de diésel DRBII caja de diagnóstico de interpretación (Chrysler) DRCV válvula de control de retardo del distribuidor DSSA avance de chispa de señal en dual (Ford) DVDSV retardo de vacío del distribuidor y válvula de separador DVDV válvula de retardo de vacío del distribuidor DVOM medidor digital de volts y ohms EACV válvula de control de aire electrónica (Honda) EBCM módulo electrónico de control de frenado (GM) EBM módulo electrónico de chasis (GM) ECA conjunto electrónico de controles ECCS sistema de control electrónico concentrado (Nissan) ECM módulo electrónico de control (GM) ECS sistema de control de evaporación (Chrysler) ECT temperatura de enfriador de motor(Ford y GM) ECU unidad de control electrónico (Ford, Honda, y Toyota) EDIS sistema de encendido electrónico sin distribuidor (Ford) EEC control electrónico del motor (Ford) EECS sistema de control de emisiones de vapor (Ford) Glosario de abreviaturas y acrónimosxxxii EEPROM chip de memoria de sólo lectura programable y borrable electrónicamente EFC carburador de retroalimentación electrónica (Chrysler) EFC control electrónico de combustible EFCA ensamble de control electrónico de combustible (Ford) EFE Sistema anterior de evaporación de combustible (GM) EFI inyección electrónica de combustible EGO sensor de oxígeno de gases del escape (Ford) EGRPS sensor de posición de la válvula EGR (Mazda) EGR-SV válvula de solenoide de EGR (Mazda) EGRTV válvula térmica de EGR (Chrysler) EI encendido electrónico (GM) ELB combustión pobre electrónica (Chrysler) EMI interferencia electromagnética EOS sensor de oxígeno en escape EPA Environmental Protection Agency EPOS sensor de posición de válvula EGR (Ford) EPROM chip de memoria de sólo lectura programable borrable ESA avance electrónico de chispa (Chrysler) ESC control de chispa electrónico (GM) ESS selección de chispa electrónica (Cadillac) EST timing de chispa electrónico (GM) EVP sensor de posición de válvula EGR (Ford) EVRV válvula electrónico de regulador de vacío para el EGR (GM) F Fahrenheit FBC sistema de retroalimentación de carburador (Ford y Mitsubishi) FBCA actuador de retroalimentación de carburador (Ford) FCA conjunto de control de combustible (Chrysler) FCS solenoide de control de combustible (Ford) FI inyección de combustible FLS sensor de nivel de fluidos (GM) MVSS normas de seguridad de la Federal Motor Vehicle ft-lb libras por pie FUBAR arreglo posterior a reparación FWD conducción (tracción) delantera gal galón GND tierra GPM gramos por mil HAIS sistema de admisión de aire calentado (Chrysler) HEGO sensor de oxígeno en gases calentados del escape HEI encendido de alta potencia (GM) Hg mercurio hp caballos de fuerza I/P panel de instrumentos IAC control de aire en ralentí (GM) IAT sensor de temperatura de admisión de aire (Ford) IATS sensor de temperatura de entrada de aire (Mazda) IC circuito integrado ICS solenoide de control al ralentí (GM) ID diámetro interior IGN encendido IIIBDFI si no está roto no lo repare IM240 programa 240 de mantenimiento e inspección Glosario de abreviaturas y acrónimos xxxiii IMI Institute of the Motor Industry ISC control de velocidad den ralentí (GM) ISO International Standards Organization ITCS sistema de control del timing del encendido (Honda) ITS interruptor de seguimiento en ralentí (Ford) JAS sistema de chorro de aire (Mitsubishi) kHz kilohertz KISS ¡Sencillo! Km kilómetros kPa kilopascales KS sensor de golpeo KV kilovoltios L litros lb.ft pies por libras LCD pantalla de cristal líquido LED diodo emisor de luz MACS Mobile Air Conditioning Society MAF sensor de flujo de aire masivo MAMA Midwest Automotive Media Assn. MAP presión absoluta del múltiple MAP Motorist Assurance Program MAT temperatura del aire del múltiple MCS solenoide de control de la mezcla (GM) MCT temperatura de carga del múltiple (Ford) MCU unidad de microprocesador controlada (Ford) MFI inyección de combustible multipuerto MIL lámpara indicadora de malfuncionamiento MISAR sensibilidad microprocesada y regulación automática (GM) mm milímetros MPFI inyección de combustible multipuntos MPG millas por galón MPH millas por hora MPI inyección multipuerto ms milisegundos MSDS hoja de datos de material de seguridad mV milivoltios NACAT National Assn. of _College Automotive Teachers NATEF National Automotive Technician’s Education Foundation NHTSA National Higway Traffic Safety Administration Nm metros Newton OBD diagnósticos a bordo OC convertidor de oxidación (GM) OD diámetro exterior OE equipo original OEM manufactura de equipos originales OHC leva superior ORC catalizador de reducción de oxidación (GM) OS sensor de oxígeno OSAC control de orificio de avance de chispa (Chrysler) P/B frenos de potencia P/N número de pieza PA aire a presión (Honda) PAFS sistema alimentador de pulso de aire (Chrysler) Glosario de abreviaturas y acrónimosxxxiv PAIR sistema de inyección de aire de pulso secundario (ECM) PCM módulo de control del tren de potencia (reemplazos ECM) PECV válvula de control de enriquecimiento de potencia PERA Asociación de reconstructores de motores en producción PFI inyección de combustible en puerto (GM) PGM-FI administración de inyección de combustible de gas programada (Honda) PIP perfil de toma de inyección (Ford) PPM partes por millón PROM chip de computador de programa de sólo memoria PS servodirección PSI libras por pulgada cuadrada pt. pinta PVA avance transportado de vacío PVS interruptor transportado de vacío QS9000 norma estándar de calidad para proveedores de partes OEM Qt. cuarto RABS sistema de freno antibloqueo de rueda trasera (Ford) RFI interferencia de frecuencia de radio rpm revoluciones por minuto RPO opción de producción regular RWAL sistema de freno antibloqueo de rueda trasera (GM) RWD conducción de rueda trasera (tracción trasera o americana) SAE Society of Automotive Engineers SAVM modulador de vacío de avance de chispa SCC computadora de control de chispa (Chrysler) SDI encendido directo del Saab SES indicador de servicio urgente (GM) SFI inyección secuencial de combustible (GM) SIR restricción de inflado suplementario (bolsa de aire) SMPI inyección secuencial de combustible multipuerto (Chrysler) SOHC leva superior unitaria SPOUT señal de salida de chispa (Ford) SRDV válvula de retraso retardado de chispa SRS Sistema de restricción suplementario (bolsa de aire) SS sensor de velocidad (Honda) SSI encendido de estado sólido (Ford) STS Service Technicians Society TA aire a temperatura (Honda) TABPV válvula de ahogador de división de aire (Ford) TAC limpiador termostático de aire (GM) TACH tacómetro TAD válvula inversora de aire Thermactor (Ford) TAV vacío transportado de temperatura TBI inyección del chasis del ahogador TCC embrague convertidor de torque (GM) TCCS sistema controlado por computadora Toyota TCS chispa de transmisión controlada (GM) TDC punto muerto superior TIC control de encendido térmico (Chrysler) TIV válvula Thermactor de vacío al ralentí (Ford) TKS solenoide disparador de ahogador (Ford) TP sensor de posición de ahogador (Ford) Glosario de abreviaturas y acrónimos xxxv TPI inyección de puerto afinado (Chevrolet) TPMS sistema de monitoreo de presión de llantas TPP potenciómetro de posición de ahogador TPS sensor de posición de ahogador TPT transductor de posición de ahogador (Chrysler) TRS chispa de transmisión regulada (Ford) TSP posicionador de solenoide de ahogador (Ford) TV válvula de ahogador TVS interruptor de vacío térmico (GM) TVV válvula de vacío térmico (GM) V voltios VAC corriente alterna de voltios VAF sensor de flujo de aire en paletas VCC embrague convertidor viscoso (GM) VDC corriente directa en voltios VDV válvula de retardo de vacío VIN número de identificación del vehículo VSM módulo de seguridad del vehículo VSS sensor de velocidad del auto WOT ahogador abierto totalmente WOT interruptor de ahogador abierto totalmente (GM) WSS sensor de velocidad de las ruedas C A P Í T U L O 1 1.1 Breve historia 1.1.1 ¿Dónde empezó todo? La historia de la energía eléctrica se puede remontar al siglo V a.C., cuando el filósofo griego Tales de Mileto se dio cuenta de que al frotar un fragmento de ámbar con un trozo de piel atraía otros objetos ligeros, como las plumas. Esto se debe a la electricidad estática. Se cree que por ese mismo tiempo, donde actualmente es Turquía, un pastor descubrió magnetismo en unas rocas de cala- mita (o piedra imán), al dar contra ellas con la punta de su cayado. William Gilbert, hacia el siglo XVI, demostró que muchas otras sustancias son “eléctricas” y que tienen dos efectos eléctricos. Al frotarel ámbar y la piel el ámbar adquiere una “electricidad resinosa”; sin embargo, al frotar el vidrio con una seda éste adquiere una “electricidad vítrea”. La electricidad repele el mismo tipo y atrae al opuesto. Los científicos consideraron que lo que en realidad originó la electricidad (su término para carga) fue la fricción. De lo que no se percataron fue de que tanto en la piel como en la seda quedaba una parte igual de electricidad opuesta, o negativa. Otto Von Guerick, alemán, inventó el primer dispositivo eléctrico en 1672, al cargar una bola de azufre con electricidad estática sosteniéndola en la mano mientras la giraba sobre un eje. De hecho, su experimento dio paso a la teoría establecida en la década de 1740 por William Watson, físico inglés, y Benjamín Franklin, político estadounidense, de que la electricidad está en toda la materia y que se puede transferir por medio de la fricción. A su vez, Franklin, para pro- bar que los rayos eran una forma de electricidad, voló una cometa durante una tormenta y produjo chispas de una llave atada a la cuerda. Algo bueno resultó de este peligroso experimento, pues Franklin inventó el pararrayos. Alejandro Volta, un aristócrata italiano, inventó la primera batería. Encontró que al colocar en serie unas placas de vidrio en un depósito que contenía agua salada, y conectar electrodos de zinc y de cobre en el orden correcto, podía obtener un choque eléctrico al juntar ambos cables. Ésta fue la primera pila húmeda y el antecesor del acumulador, inventado por el físico francés Gaston Plancheen en 1859. Era una pila a base de ácido y plomo en la cual la reacción química que produce la electricidad se podía invertir al alimentar la corriente de vuelta en la dirección opuesta. Como la batería o celdas de almacenaje no pro- porcionaba más que una pequeña cantidad de energía, los inventores pronto se dieron cuenta de que necesitaban una fuente continua de corriente. Michael Faraday, hijo de un herrero de Surrey y asistente de Sir Humphrey Davy, diseñó el primer generador eléctrico. En 1831 Faraday hizo una máquina en la que un disco de cobre giraba entre las poleas de un magneto grande. Las cintas de La historia de la energía eléctrica se puede remontar al siglo V a.C. Hecho clave Alejandro Volta, aristócrata italiano, inventó la primera batería. Hecho clave Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil2 1 Alternador de polea de diente Convertidor de 14V/42V de CD/CA de dos direcciones Distribuidor de señal y salida - Fusible de descentrado - Diagnósticos Administración del motor - Coordinación de alternador, consumidores de potencia y tren de dirección Sistema eléctrico de dos baterías - Inicio de funcionamiento seguro - De seguridad (sistemas de cableado) Componentes de 14V Componentes de 42V Figura 1.1 Sistemas electrónicos futuros (fuente Bosch Media). Hecho clave William Sturgeon, de Warrington, Lancashire, construyó el primer motor eléctrico en la década de 1820. cobre proporcionaban el contacto con el aro del disco y el eje sobre el cual gira- ban; la corriente fluía cuando las cintas estaban en contacto. William Sturgeon, de Warrington, Lancashire, construyó el primer motor eléctrico en la década de 1820. También hizo los primeros electroimanes de trabajo y utilizó electroimanes alimentados por una batería en un generador, en lugar de magnetos permanentes. Hacia 1866 varios inventores, entre ellos dos electricistas ingleses, Cromwell Varley y Henry Wilde, produjeron los magnetos permanentes. Anyos Jedlik, físico húngaro, y el pionero estadounidense de la electricidad, Moses Farmer, también trabajaron en este campo. El primer generador verdaderamente exitoso fue el del alemán Ernst Werner Von Siemens, quien lo construyó en 1867, al que llamó dínamo; actualmente este término se aplica sólo a un generador que proporciona corriente directa. A los generadores que producen una corriente alterna se les denomina alternadores. La construcción de motores que funcionarían a partir de una corriente alterna, correspondió al ingeniero estadounidense Elihu Thomson, quien también inventó el transformador que cambia el voltaje de un alimentador eléctrico. Presentó su invento en 1879, y cinco años después tres húngaros: Otto Blathy, Max Deri y Karl Zipernowsky produjeron los primeros transformadores prácticos comer- ciales. No se puede precisar quién concibió los elementos particulares de elementos eléctricos respecto del automóvil de motor. Las innovaciones en todas las áreas han sido confusas y vertiginosas en la última mitad del siglo pasado. En la década de 1860 Ettiene Lenoir estructuró el primer motor de gasolina. Este motor utilizaba una forma de encendido eléctrico mediante una bobina inventada por Ruhmkorff en 1851. En 1886 Karl Benz utilizó un tipo de magneto que funcio- naba por medio de bandas y poleas. Encontró que no era muy útil, debido a la velocidad variable de este motor. Resolvió el problema aplicando las dos celdas primarias para proporcionar una corriente de encendido. En 1889 Georges Bouton inventó los interruptores automáticos para un sistema de encendido por bobina, dando así por primera vez un encendido afinado de manera positiva. Es discutible si este es el antecesor del actual sistema de encen- dido. Emile Morse utilizó el encendido eléctrico en un circuito de baja tensión ali- mentado por acumuladores que se recargaban desde una dínamo de bandas y poleas. Este fue el primer sistema de carga exitoso y se puede fechar hacia 1895. El ahora formidable emporio de Bosch tuvo un modesto inicio con Robert Bosch. Su área más importante del inicial crecimiento lo fue en conjunto con su ayudante Fredrich Simms, cuando produjeron el generador de baja tensión hacia fines del Hecho clave En la década de 1860 Ettiene Lenoir estructuró el primer motor de gasolina. Hecho clave En 1889 Georges Bouton inventó los interruptores automáticos para un sistema de encendido. Hecho clave En realidad, Bosch produjo el primer magneto funcional en 1897. Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 31 SiStemaS eléctrico y electrónico del automóvil/denton siglo XIX. En 1902 Bosch introdujo el imán de alta tensión el cual tuvo casi univer- sal aceptación. La armadura en forma de H del primero y antiquísimo imán se usa ahora en todos los productos de la marca Bosch. Así, Bosch produjo el primer magneto funcional en 1897. A partir de este periodo de progresos, el generador eléctrico tuvo un alto nivel de estándares en Europa, mientras que en Estados Unidos el sistema de encendido por bobina y batería llevaba la delantera. Charles F. Kettering tuvo un rol impor- tante en esta área al trabajar para la compañía eléctrica de Daytona (Delco), cuando diseñó el sistema de encendido, arranque y alumbrado para el Cadillac 1912. Inclusive produjo un regulador de voltaje de mercurio. La dinamo de tres escobillas producida por el doctor Hans Leitner y R.H. Lucas apareció hacia 1905; ésto le daba al conductor cierto control sobre el sistema de carga. Se le conoció como sistema de carga de corriente constante. Para los estándares actuales éste era un dinamo muy grande y sólo producía 8 A. En la siguiente década, más se trabajó en muchas otras técnicas para resolver el problema de controlar la salida de una dínamo, cuya velocidad varía constante- mente. Se aplicaron nuevos métodos de control, algunos con más éxito que otros. Por ejemplo, un sistema de tracción, el cual pasaría suavemente luego de cierta velocidad del motor, se usó con éxito limitado, en tanto que uno de mis favoritos tenía un cable caliente en la línea de la salida principal, hasta que se ponía al rojo vivo, haciendo que la corriente saltara y fluyera a través de una bobina “saltarina” para reducir el campo de fuerza de ladínamo. Se emplearon muchas variaciones de la técnica del “campo de alabeo”. El control de la corriente de la carga de bate- ría para todos estos sistemas de corriente constante era pobre y con frecuencia se reorientaba en el conductor al interruptor desde armaduras altas a bajas. De hecho, una de las primeras formas de instrumentación ¡fue un densímetro de flota- ción de salpicadera para verificar el estado de la carga de la batería! La dínamo de dos escobillas y la unidad de control de voltaje compensado se usaron por primera vez en la década de 1930. Esto le dio mayor control sobre el sistema de carga y allanó el camino para los otros sistemas eléctricos por venir. En 1936 se dio el multicitado tema del movimiento hacia la tierra positiva (sobre todo en el Reino Unido). Lucas tuvo mucho que ver con este cambio. Se pretendía reducir los voltajes de la bujía de encendido para así prolongar la vida del elec- trodo; sin embargo, hay gran debate en cuanto a las razones. También se espe- raba reducir la corrosión entre las terminales de la batería y otros puntos de contacto en el automóvil. La década de 1950 fue la era del inicio del invento del sistema de luces que ha devenido hasta las complejas disposiciones actuales. Los indicadores de destello Figura 1.2 El triciclo de De Dion-Bouton de 1897, con generador eléctrico Bosch. lldur_000 Cuadro de texto Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil4 1 reemplazaron a los brazos de semáforo y al bulbo de filamentos gemelos para hacer más adecuados los faros delanteros. Empezaron ahora las grandes mejoras con los ajustes de elementos esenciales como calefactores, radios ¡e inclusive encendedores de cigarrillos! También en las décadas de 1960 y 1970 estuvieron disponibles otras muchas opciones, como los limpiadores de parabrisas y los limpiadores dobles. Cadillac introdujo el aire acon- dicionado total e incluso un temporizador para los faros. El sistema de tierra negativa se introdujo de nuevo en 1965 con total aceptación. Sin embargo, esto ocasionó algunos problemas de marca, en particular con el crecimiento de los equipos DIY (Hágalo Usted Mismo) de radios y otros acceso- rios. ¡Eso también era bueno, desde luego, para el oficio establecido de la elec- tricidad automotriz! La década de 1970 también robusteció la era de la fuel injection (inyección de combustible) y el encendido electrónico. La instrumentación se hizo cada vez más compleja y el trazado del tablero de instrumentos fue ahora un área importante de diseño. El calefactor del medallón se conformó como un elemento estándar en algunos vehículos. El alternador, que se utilizara primero en Estados Unidos en la década de 1960, se convirtió en una norma en Inglaterra en 1974. La disponibilidad de potencia extra y el abastecimiento constante del alternador era precisamente lo que la industria de la electrónica estaba esperando y, en la década de 1980, el sistema eléctrico de los vehículos se modificó más allá de lo reconocible. Los avances de la microcomputación y la tecnología asociada han hecho ahora que el control de todas las funciones del vehículo sea posible por medios eléctri- cos. A esto se refiere el resto de este libro. 1.1.2 Cronología Los sistemas eléctrico y electrónico del vehículo de motor suelen ser los más temidos, pero al mismo tiempo pueden ser los aspectos más fascinantes. Los Figura 1.3 Magneto o generador eléctrico. (Fuente: Bosch Media). Hecho clave Los avances de la micro computación y la tecnología asociadas han hecho que el control de todas las funciones del vehículo sea posible por medios eléctricos. Hecho clave La década de 1970 robusteció la era de la inyección de combustible y el encendido electrónico. Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 51 actuales circuitos y sistemas complejos en uso se fueron construyendo de una manera muy interesante. Respecto a muchos inventos históricos no se puede tener una gran certeza de quién “inventó” un componente en particular, o realmente cuándo se dieron los inventos, si en forma paralela, o si éstos se sucedieron consecutivamente. Sería interesante especular sobre a quién le llamaríamos creador del sistema eléc- trico del vehículo. Desde luego, Michael Faraday se llevaría muchos aplausos, pero entonces también Ettiene Lenoir, y por supuesto Robert Bosch, y claro que Nikolaus Otto y… Quizá deberíamos regresar incluso hasta el antiguo filósofo griego Tales de Mileto quien, al frotar el ámbar con un trocito de piel descubrió la electricidad estática. Cabe mencionar que el término griego del ámbar es “electrón”. Figura 1.4 Faro Bosch de 1913. Interruptor del motor de arranque Batería Lámpara lateral Interruptor de la bocina Lámpara trasera Desconectado automático Lámpara del tablero Chumacera del interruptor Bocina Motor de arranque Bujías Dínamo Unidad de encendido Lámpara lateral Faros delanteros Figura 1.5 Diagrama de un circuito completo. El término griego del ámbar es “electrón”. Hecho clave Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil6 1 Cerca del año 600 a.C., Tales de Mileto descubre la electricidad estática al frotar un ámbar con un fragmento de piel. Alrededor del año 1550 William Gilbert demostró que muchas sustancias contie- nen “electricidad”, y que los dos tipos de electricidad que encontró atraen a los tipos diferentes, a la vez que repelen a los tipos semejantes. 1672 Otto Von Guerick inventa el primer dispositivo eléctrico, una bola giratoria de azufre. 1742 Andreas Gordon construye el primer generador estático. 1747 Benjamín Franklin vuela una cometa durante una tormenta. 1769 Cugnot construye un tractor de vapor, hecho en su mayor parte de madera. 1780 Luigi Galvani empieza una serie de pruebas y sucesos que dieron por resul- tado las bases del invento de la batería. 1800 Alessandro Volta inventa la primera batería. 1801 Trevithick construye un carruaje de vapor. 1825 William Sturgeon descubre el electromagnetismo. 1830 Sir Humphrey Davy descubre que al romper un circuito se ocasiona una chispa. 1831 Faraday descubre los principios de la inducción. 1851 Ruhmkorff produjo la primera bobina de inducción. 1859 El físico francés Gaston Planche construye el primer acumulador. 1860 Lenoir construye un motor de gasolina de combustión interna. 1860 Lenoir logra la combustión “en cilindro”. 1860 Lenoir produce la primera bujía. 1861 Lenoir produce un tipo de encendido de bobina intermitente. 1861 Robert Bosch nace en Albeck, cerca de Ulm, en Alemania. 1870 Otto patenta el motor de cuatro gargantas. 1875 En el motor Seigfried Marcus se usa un sistema de chispa interrumpida. 1876 Otto mejora el motor de gasolina. 1879 Leo Funk inventa el encendido de válvula caliente. 1885 Benz acopla su motor de petróleo a un carruaje de tres ruedas. 1885 Gottlieb Daimler y Karl Benz crean el automóvil de motor. 1886 Daimler acopla su motor a un carruaje de cuatro ruedas para producir un automotor de cuatro ruedas. 1887 El generador de baja tensión de Bosch se utiliza para motores estacionarios de gasolina. 1887 Hertz descubre las ondas de radio. 1888 El profesor Ayrton construye el primer automóvil eléctrico experimental. 1889 E. Martin utiliza un sistema mecánico para mostrar la palabra “STOP” en un tablero en la parte trasera de su automóvil. 1889 Georges Bouton inventa los interruptores de contacto. 1891 Panhard y Levassor inician el diseño actual de los automóviles al colocar el motor al frente. 1894 Primer automóvil eléctrico exitoso. 1895 Emile Mors usa acumuladores que se recargaban desde una dínamo de bandas y poleas. 1895 Georges Bouton da el toque final a la bobina intermitente. Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 71 Arrancador de impulso Cojinete de bola Rotor con imán nifa Cojinete giratorio Condensador Brazo distribuidor Gobernador Lubricador Devanado de bobina Interruptor de contactoCanal super�cial del distribuidor Figura 1.6 Vista seccional del generador de Lucas tipo 6VRA. 1896 Lanchester introduce el tren de engranes epicíclico, el cual se utiliza ahora en la transmisión automática. 1897 Marconi envía el primer mensaje por radio. 1897 Bosch y Simms crean un generador de baja tensión con la armadura en forma de H, que se utiliza en el encendido de un vehículo motorizado. 1899 Jenatzy rompe la barrera de los 100 km/h en un automóvil eléctrico. 1899 Se introduce el primer velocímetro (mecánico). 1899 Record mundial de velocidad de 66 millas (105.km) por hora, ¡en un automó- vil impulsado por electricidad! 1901 El primer Mercedes sale a las carreteras. 1901 Lanchester produce un generador de volante. 1902 Bosch introduce el generador de alta tensión, de aceptación casi universal. 1904 Rigolly rompe la barrera de las 100 millas por hora. 1905 Miller Reese inventa el horno eléctrico. 1905 El doctor Hans Leitner y R.H. Lucas inventan la dínamo de tres escobillas. 1906 Rolls-Royce presenta el Silver Ghost. 1908 Ford utiliza una producción de línea de ensamble para la fabricación del modelo T. 1908 Aparece el alumbrado elécrico, producido por C.A. Vandervell. 1910 Aparece el prototipo Delco del arrancador eléctrico. 1911 Cadillac presenta el motor de arranque eléctrico y el alumbrado por dínamo. 1912 Bendix inventa el método de engranar un motor de arranque con el volante. 1912 Cadillac utiliza el motor de arranque y alumbrado. Este sistema eléctrico “Delco” fue inventado por Charles F. Kettering. 1913 Ford introduce la banda transportadora móvil en la línea de ensamblado. 1914 Bosch perfecciona el generador de inducción de manga. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil8 1 1914 Se agrega un resorte amortiguador a los motores de arranque. 1920 Duesenberg empieza a instalar frenos hidráulicos en las cuatro ruedas. 1920 Los japoneses llevan a cabo mejoras significativas en la tecnología de los generadores. 1921 South Wales Wireless Society instala el primer equipo de radio en un auto- móvil. 1922 Lancia utiliza la construcción de chasis unitario (todo en uno) y la suspensión delantera independiente. 1922 Se produce el Austin Seven. 1925 El doctor D.E. Watson produce generadores eficientes para uso vehicular. 1927 Seagrave rompe la barrera de las 200 millas por hora (320 km/h) en un Sunbeam. 1927 Se produce el último Ford modelo T. 1928 Cadillac introduce la caja de engranes sincronizada. 1928 Nace en Huddersfield, Yorkshire, Reino Unido, la idea de una sociedad de ingenieros que se especializan en el oficio de la electricidad automotriz. 1929 Se introduce el horno eléctrico de Lucas. 1930 El encendido de bobina de batería empieza a ser desplazado por el encen- dido de generador. 1930 Las tecnologías de los generadores se mejoran más cada vez. 1931 Smiths presenta el indicador de combustible. 1931 Se introduce el generador Vertex. 1932 La Sociedad de Ingenieros Eléctricos Automotrices tiene su primera convención en el Constitutional Club, Hammersmith, de Londres, el 21 de octubre a las 3:30 pm. 1934 Citroën es la pionera en la conducción de tracción delantera con su modelo 7CV. 1934 La dínamo de dos escobillas y la unidad de control de voltaje compensado se instalan por primera vez. 1936 Se utiliza un velocímetro eléctrico que consta de un generador de CA y un voltímetro. 1936 Se introduce la tierra positiva para prolongar la vida de las bujías y reducir la corrosión en la batería. 1937 Se usan por primera vez cables de colores. 1938 Alemania produce el Volkswagen Beetle. 1939 Se instala el avance automático en los distribuidores de encendido. 1939 Por razones de seguridad, se prohíben en Inglaterra los radios en los auto- móviles. Figura 1.7 Distribuidor con interruptores de contacto. Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 91 Figura 1.8 El veloz SSC. 1939 Se empiezan a instalar las cajas de fusibles. 1939 En Alemania se usan por primera vez los registradores de velocidad (tacómetros). 1940 Se utiliza el velocímetro de CD, así como el rotor síncrono y el medidor de disparo. 1946 Se conforma la compañía Radiomobile. 1947 Se inventa el transistor. 1948 Jaguar lanza el automóvil deportivo XK120 y Michelin introduce una llanta curva radial. 1948 Los fabricantes del Reino Unido empiezan a utilizar el sistema eléctrico de 12 V. 1950 Dunlop anuncia el freno de disco. 1951 Buick y Chrysler introducen la dirección de potencia. 1951 Bosch inventa la inyección de petróleo. 1952 El automóvil de turbinas de gasolina de Rover establece el record de veloci- dad de 234 km/h. 1954 Bosch introduce la inyección de combustible para automóviles. 1954 Se legalizan las luces intermitentes. 1955 Citroën presenta un automóvil con suspensión hidroneumática. 1955 El arranque por clave se vuelve una característica común. 1957 Wankel construye su primer motor giratorio de petróleo. 1957 Se introducen los faros delanteros asimétricos. 1958 Se diseña el primer circuito integrado. 1959 La BMC (ahora Rover Cars) presenta el Mini. 1960 Los alternadores empiezan a reemplazar a las dínamos. 1963 Se construye la unidad de luces intermitentes electrónica. 1965 Se inicia el proceso de trabajo sobre el control electrónico del sistema de frenado antibloqueo (ABS). 1965 Se introduce el sistema de tierra negativa. 1966 California lanza la legislación respecto a la contaminación del aire ocasio- nada por los automóviles. 1966 Los reproductores de sonido en los automóviles no se usan con gran éxito en Inglaterra debido a la mala suspensión y al mal estado de las carreteras. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil10 1 1967 El sistema de inyección de combustible de Bosch Jetronic pasa a su fase de producción. 1967 Se introduce el velocímetro electrónico. 1970 Gabelich conduce el automóvil Blue Flame, impulsado por cohete, para lograr un nuevo record de velocidad: 1001.473 km/h. 1970 En Inglaterra empiezan a aparecer los alternadores en los vehículos, a medida que las dínamos empiezan a desaparecer. 1972 Dunlop introduce las llantas de seguridad, las cuales se sellan por sí solas después de un pinchazo. 1972 Lucas inventa la pantalla delantera de instrumentos. 1974 Se produce el primer encendido electrónico sin interruptores de mantenimiento. 1976 Se producen los sensores de oxígeno Lambda. 1979 Barret supera la barrera del sonido en el Budweiser Rocket, de motor impul- sado por cohete, con una velocidad de 1190.377 km/h. 1979 Bosch inicia la producción en serie del sistema de inyección Motronic. 1980 El primer automóvil de producción en masa de tracción en las cuatro ruedas, el Audi Quattro, está disponible. 1981 BMW introduce la computadora a bordo. 1981 Empieza la producción comercial de los ABS. 1983 Austin Rover presenta el Maestro, el primer automóvil con tablero parlante. 1983 Richard Noble establece un record oficial de 1019.4 km/h con el Thrust 2, vehículo con motor de propulsión a chorro. 1987 El Sunraycer, vehículo movido por energía solar, viaja 3000 kilómetros. 1988 Los controles de emisiones de California proponen el uso de vehículos cero emisiones (ZEVs) para 1998. 1989 El Gallant de Mitsubishi es el primer automóvil producido en masa con direc- ción en las cuatro ruedas. 1989 Se producen alternadores que superan los 100 A, de aproximadamente el tamaño de las primeras dínamos o más pequeños. 1990 Fiat de Italia y Peugeot de Francia lanzan automóviles eléctricos. 1990 En los vehículos Mercedes se utilizan sistemas de fibra óptica. 1991 El Parlamento Europeo vota por un control severo de las emisiones de los automóviles. 1991 Se producen faros delanteros de descarga de gas. 1992 Compañías japonesas desarrollan un sistema de imágenes que visualiza la carretera a través de una cámara. 1993 Un automóvil eléctrico japonés alcanza una velocidad de 176 km/h. 1993 Las regulaciones de controles de emisiones impulsan a un mayor desarrollo de sistemas deadministración del motor. 1994 Los sistemas de mejoramiento de visión delantera se crean como parte del proyecto Prometeo. 1995 Greenpeace diseña un automóvil amigable con el ambiente capaz de reco- rrer de 67 a 78 millas por galón (100 km por cada 3 a 3.5 litros). 1995 ¡Se publica la primera edición de Sistemas eléctrico y electrónico del auto- móvil! 1996 Más legislaciones sobre el control de emisiones. 1997 GM presenta varios de sus LeSabres para un sistema automatizado de auto- pista (Automated Highway System). Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 111 Figura 1.9 Ford Mustang. 1998 El Thrust SSC rompe la barrera del sonido. 1998 Se empiezan a utilizar las luces de visión azul. 1998 El Mercedes clase S contaba con 40 computadoras y más de 100 motores. 1999 Las multimedia móviles se convierten en una opción extra. 2000 ¡Sale a la luz la segunda edición de Sistemas eléctrico y electrónico del auto- móvil! 2001 Los sistemas de posicionamiento global se empiezan a popularizar como una opción extra. 2002 Se producen los automóviles bajo el concepto Full X-by-wire. 2003 Bosch celebra 50 años de la fuel injection. 2003 Ford crea el motor de combustión interna a base de hidrógeno (H2ICE). 2004 ¡Tercera edición de Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil! 2005 El semiconductor de FreeScale allana el camino para el automóvil autónomo al convertirse en la primera empresa en ofrecer controladores integrados tanto autónomos como FlexRay™. 2006 Más sensores, como el de guiño, se integran en un solo chip de control. 2007 El Tesla EV deportivo de dos plazas sale a la venta por primera vez. 2008 Se libera el servicio de telemática, seguridad y asistencia del BMW, “Con- nectedDrive” en el Reino Unido. 2009 Se lleva a cabo el experimento con grupos de automóviles por Volvo y otros como parte del proyecto SARTRE. 2009 El KERS se usa por primera vez en la fórmula 1. 2010 Entran a producción los limpiadores de motores gemelos. 2011 ¡Aparece la 4a. edición de Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil! 2012 La web semántica modifica los sistemas de capacitación automotriz… 2013 F1 utiliza motores híbridos de iluminación… 20— Y la historia continúa con usted… Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil12 1 1.2 ¿Y dónde seguimos? 1.2.1 Actualidades Los controles electrónicos siguen siendo un área clave en los progresos del auto- móvil. Sin embargo, una tecnología emergente es el automóvil en la red y las posi- bilidades infinitas que podrían ofrecerse, unas buenas, otras malas, desde luego. Los automóviles híbridos son ahora la corriente más fuerte, así como los todo EV que no están muy lejos. Un área que en particular puede ser más importante es el uso de los sistemas de navegación satelitales que proporciona algo más que un destino de arribo. Un área de investigación pretende adaptar las características operativas de un motor y con base en la máxima velocidad para saber en un mapa dónde está el automó- vil. ¡Alarmante! Las tres siguientes secciones son una copia de las tres anteriores ediciones de este libro, y donde especulaba, llegando a la fantasía, dónde acabaría el sistema eléctrico del automóvil. De algún modo espantables, muchas de esas ideas que tuve están aquí ahora. La sección 1.2.4 raya en la especulación, pero no es un cuento muy largo… 1.2.2 Sistemas autoeléctricos en el próximo milenio (En la primera edición de 1995) Imagine qué clase de vehículo sería ese que se pudiera controlar totalmente por sistemas electrónicos. Imagine un vehículo que cuenta a bordo con todos los sis- temas de diagnóstico para detectar inmediatamente y con exactitud cualquier falla y la reparación necesaria. Imagine un vehículo controlado por un sistema de cómputo de 64 bits con una memoria casi ilimitada. Imagine un vehículo con inte- ligencia artificial para tomar todas las decisiones de operación por usted y la cual también aprende lo que usted desea y a dónde se quiere dirigir. Por último, ima- gine todas las ideas anteriores combinadas con un sistema de guía automático, el cual funciona a partir de cables colocados bajo la superficie de rodamiento. ¡Ima- gine lo que pasaría si eso dejara de funcionar! Sin embargo, visualícese de la siguiente manera: es la mañana del lunes 15 de enero de 2020, a las 08:00 horas. Debe estar en el trabajo a las 09:00 y tiene el tiempo justo para estar ahí aun cuando sólo hay 15 millas de distancia (la pista 14 M25 pronto estará a toda su capacidad) pero al menos el acceso a la avenida guiada por cable le ayuda. Un estremecimiento de frío al caminar de la puerta de su casa a través de la capa de nieve le hace sentir gusto por haber pagado el extra por la versión XYZ de “el auto”. Como lo esperaba, las ventanas del auto ya están descongeladas y en cuanto toca con el pulgar el cojincillo de reconocimiento, la puerta se abre lenta- mente dejando salir un confortable aire tibio que le recibe. Es un poco difícil darse cuenta de que el auto se anticipara a lo que usted necesitaría esa mañana y enti- biara el interior para cuando usted llegara. Una vez cerrada la puerta y abrochados los cinturones de seguridad aparece un mensaje en la pantalla. “Buenos días, Tomás”, encuentra algo usualmente fasti- dioso, “Todos los sistemas están operando plenamente excepto el radar trasero de prevención de accidente” (de nuevo). “Me he tomado la libertad de conec- tarlo a una línea primaria del sistema de back-up y he hecho una búsqueda con la computadora de taller a través del enlace del módem de la radio”. Usted no puede ayudar pues se ha perdido algo de control, pero aún hay una cosa menos de qué preocuparse. “Podemos iniciar el trayecto, pues me he puesto en un Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 131 curso hacia su trabajo, ¿lo considera correcto?” Ser capaz de hablar con su auto era tonto al principio, pero uno pronto se habitúa a estas cosas. “Sí”, dice usted y el viaje empieza. Siempre es confortable saber que la presión y el piso de las llantas se ajustan automáticamente a las condiciones del clima y del camino. Incluso la suspensión y el sistema de dirección están afinados. La temperatura, como suele suceder, es correcta ahora, sin que haya tenido que tocar control alguno. Esto se debe a que el sistema del control de temperatura y clima aprendió pronto que usted prefiere sentirse bastante tibio al sentarse en el auto, pero que le gusta bajar un poco la temperatura conforme avanza en el trayecto. Le gustaría un pequeño ajuste al factor de humedad, por lo que se lo dice al auto. En la pantalla aparece “Quiero asegurarme de recordar el cambio a futuro”. En parte del camino durante el tra- yecto, el auto disminuye la velocidad y hace un viraje que no es parte de la ruta usual al trabajo. El auto decide pasar la cuadra que usted puso en la comunica- ción de audio, en tanto usted se sorprende de lo sucedido. “Disculpe respecto al cambio de ruta, Tomás, pero la transmisión del reporte del camino sugiere que esta vía es más rápida ya que la nieve está disminuyendo. Todavía llegaremos a tiempo al trabajo”. El resto de la travesía no presenta novedades y usted suele aprovechar el tiempo revisando algunos documentos, pero no puede resistirse a ver si puede escuchar cuando el motor de diésel pasa al eléctrico. Pero es muy difícil porque la reduc- ción activa de ruido está muy bien estos días. El auto llega a su lugar de trabajo y se estaciona en el lugar de costumbre. Para algún cambio, usted recuerda tomar la unidad de control consigo si no el auto no tiene que recordárselo de nuevo. Si bien es bueno eso, pues el auto no funcionará sin él y usted lo puede usar para indicar al auto cuándo lo necesitará, etcétera. El auto también puede comunicarse con usted si, por ejemplo, hay un intento de irrupción ajena. Por último, un toque en el cojincillo exterior y la puerta se cierra activando al mismo tiempo el sistema de alarma. Mientras usted está en su trabajo, el auto ejecutasu quinto chequeo de diagnós- tico de combustible del día y no encuentra fallas. Las baterías de sodio necesitan elevarse, por lo que el auto establece un vínculo de inducción magnética con el transformador subterráneo y pronto las baterías están totalmente cargadas. El auto entra ahora en un modo de espera luego de haber establecido el tiempo de inicio de la preparación para su viaje de regreso a casa, el cual se ha aprendido con 85% de probabilidades de que será por la vía local pub… 1.2.3 Sistemas automotrices en el próximo milenio; “el conductor moderno” (Publicado por primera vez en 2000) Lo mejor de los sistemas automotrices cableados es que usted aún puede tomar el control de vez en cuando. Suelo trabajar un poco mientras el auto me lleva a una jornada, lo cual es bueno. Pero hoy es un día de asueto. “Por favor, introduzca los detalles de su jornada”, le dice el auto en su misteriosa- mente humana voz. Claro que se puede ajustar, pero puede ser peor cuando suena como la del profesor Stephen Hawking. “Yo conduciré para hacer una modifica- ción”, le dije, pero como suele suceder, insistió. “¿Me permitiría planear la mejor ruta?” “¡No!”, dije, “no hoy”. “Todos los diagnósticos de rutina se ha efectuado durante la noche y no se ha encontrado falla alguna”, continuó. En este punto lo dije brevemente, para no repetirlo a menos que fuera una emergencia. Luego de acce- der a su “base de datos coloquial”, pareció entender ¡y dejó de hablar! El auto entra ahora en un modo de espera luego de haber establecido el tiempo de inicio de la preparación para su viaje de regreso a casa, el cual se ha aprendido con 85% de probabilidades de que será por la vía local pub… Hecho clave Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil14 1 Lo que quería hoy era manejar realmente. Al salir del estacionamiento emprendí el viaje hacia mi pista favorita de pruebas. Quería poner a prueba la suspensión pro- activa. A medida que los detectores laser barren la superficie, el sistema nuevo utiliza resortes magnetoelásticos. En teoría, el sistema podría no sólo cambiar la suavidad de la suspensión al instante en cada rueda, sino también cambiar las características del amortiguador. ¡Lo veremos! Como suelo hacerlo, traté de sentir cuándo el motor eléctrico se retira y entra la turbina, pero, como suele suceder, no pude. El sistema de almacenamiento de par de torsión del desempeño electromecánico se aseguró de eso. El paso de otros vehículos en la carretera me hizo recordar la primera vez que conduje con una palanca en lugar de un volante, era fantástico, lo más parecido a una simulación tridimensional por computadora. Sin embargo, ahora que lo utilizo ¡no creo poder volver atrás! Estaba hacia la mitad del recorrido de prueba, según el sistema de guía, cuando sucedió lo impensable: el auto se detuvo. “Qué ocurre” pregunté, y el auto inter- pretó esto como una emergencia, a lo que respondió, “Ha ocurrido un error de sistema desconocido; por favor espere más detalles”. Expliqué que ello debía procesarse con toda presteza. De nuevo la “base de datos coloquial” debió ser útil porque dijo “Acceso a máxima velocidad, por favor tenga paciencia”. Tres minutos después, el sistema se restableció como si nada hubiera pasado. “Todos los sistemas funcionan utilizando respaldos de primera línea”, anunció el auto, con lo que sólo se podría describir como un pequeño orgullo en su voz arti- ficial. “¿Qué está mal?”, pregunté, lo cual debió sonar como una pregunta razona- ble a la vez. A lo que el auto respondió “Ocurrió un error en tiempo comparativo en la línea del segundo procesador paralelo debido a una señal incorrecta de res- puesta digital desde el bus de datos de la red del área del sensor principal respon- sable del monitoreo del sistema crítico”. “Eso significa corte en un cable”, dije. “Sí”, admitió luego de consultar su “base de datos de respuesta lexicográfica concisa”. Pienso que es hora de que alguien invente un sistema que pueda obviar fallas y repararse por sí mismo, sin que el auto se tenga que detener. ¡Esos tres minutos pudieron haber sido importantes! Al fin encontré la ruta de prueba y encendí el auto en el modo de todo deportivo. “Todos los sistemas de control ajustados para efectos óptimos de ruta de prueba siete”, me dijo el auto. Ruta de prueba siete es magnífica para poner el auto sobre sus pasos. Tiene esquinas peraltadas, vueltas en S, secciones de superficie de guijarros e incluso una trampa de agua. Había algunos conductores en la pista, de modo que éste iba a ser el día. Me dirigí a la pista y pisé el acelerador. El auto salió disparado con el control de tracción permitiéndole los giros suficientes para obtener la máxima aceleración posible. La dirección se sintió magnífica en la primera esquina; pude sentirla luchando contra la tendencia a sobregirarse al ajustar la dirección de las cuatro ruedas, al tiempo que repartía la conducción de una rueda a la otra. Al entrar en la trampa de agua a toda velocidad casi se pierde la dirección, pero no pasa nada. Los limpiadores se activaron justo antes de que el agua tocara la pantalla. En cuanto aceleré para salir de las curvas en S, otro auto salió de otro carril directa- mente frente a mí; me di cuenta justo a tiempo. Pisé el freno lo más fuerte que pude y el ABS me detuvo muy a tiempo. Salí de ahí y me dirigí ahora a la sección empedrada, aunque no se sentía diferencia alguna con el resto de la pista suave. Estaba a punto de decirle al auto que verificara el sistema de suspensión magne- toelástica, ¡cuando me di cuenta de que había funcionado! Justo cuando iba a terminar mi primera vuelta, la pantalla superior destelló frente a mí: “¿Paso a auto- mático?” “¡Vamos, pues!” Exclamé y el auto se enfiló como si lo estuviera espe- rando. Fue un gran día para conducir. Camino a casa, como suele ser, el auto me había predicho que iríamos a la taberna local y así lo estableció. Estacioné el auto, bueno, en realidad se esta- Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 151 cionó él solo, en el cajón de recarga inductiva, y me dirigí a pedir un bien ganado trago. No podía esperarme a platicar con mis amigos lo que significa conducir de verdad. 1.2.4 Con los ojos puestos en el futuro (Publicado por primera vez en 2004) Evidentemente, mi nuevo auto, a causa del cual llegué tarde hoy, tiene una cámara digital que escudriñará mis ojos. Supongo que es algo para que no me duerma. Sin embargo, a menos de que me pique los ojos con un palillo, su función es dete- nerse. De todos modos, parece un sistema sin sentido en un auto que se conduce solo la mayor parte del tiempo. No puedo esperar a que llegue mi nuevo auto. El asunto es que de ser posible, pretendo pasar mucho tiempo en mi auto, bueno, en todo caso cuando se trate de travesías largas. Todo el punto del pago de dinero extra por la edición “Professional” en vez de la “Home” del software a bordo era porque podría dormir o al menos trabajar durante viajes largos. La totalmente integrada conexión de banda ancha satelital me impresionó también. El sistema de posicionamiento global es tan preciso que lo puedes usar para estacionarte en un lugar muy justo. No que se necesite, porque el autoestaciona- miento y recarga ya eran buenos en mi auto viejo. La velocidad de transferencia de datos hacia y desde el satélite es apabullante, al menos eso es lo que decía el promocional de ventas en 3D. Esto significa que tendré que ser capaz de mirar los últimos HoloVids cuando viaje y no esté trabajando o durmiendo. Incluso podría serme útil para obtener datos que me ayuden en mi trabajo como escritor. El caso es que el tamaño máximo de la mayoría de los documentos de Microsoft HoloWorld es de sólo 4Tb. Un terabyte es de sólo un millón de megas, de modo que no estaré utilizando ni la mitad del ancho de banda disponible. Espero que mi nuevo auto llegue pronto. Todavía me gusta mi auto actual pero se ha descompuesto varias veces. Consi-dero que tres descomposturas en dos años no es algo aceptable. En la tercera ocasión, le tomó casi cuatro minutos y medio repararse. Tengo que recibir un mejor nivel de servicio. Espero, sin embargo, que la suspensión magnética de gas sea tan buena como el sistema MagnetoElástico que solía utilizar. Me ha tomado mucho tiempo decidirme por el motor híbrido o por el totalmente eléctrico. He elegido finalmente que, dado que el rango de las baterías es ahora de más de mil millas, podría ser la opción. Después de todo, los impuestos por un cero emisiones son altos. Llevaré mi nuevo auto a la pista de pruebas porque es muy divertido, pero esta vez en realidad iré más por el confort que por el desempeño. Todavía un 0 a 60 veces por seis segundos no es malo para un auto eléctrico familiar cómodo. El meca- nismo que más voy a disfrutar es el del sistema inteligente de ajuste del asiento. Desde luego, el sistema lo recordará y se ajustará antes de funcionar cuando libere el auto (y me reconozca, por supuesto). Sin embargo, el nuevo sistema siente incluso las tensiones o cargas en su cuerpo en cuanto se acomoda en el asiento y le hace los ajustes necesarios. Sutiles cambios de temperatura y masaje ocurren sin que usted diga algo. No puedo esperar más. ¿Por qué no está ya aquí mi auto? Mi anterior sistema de control de voz era bueno pero algo lento a veces. Tenía que utilizar su base de datos coloquial cada vez que me molestaba con él y su inteli- gencia integrada estaba ligeramente limitada. Se supone que el nuevo sistema será tan inteligente que incluso sabrá cuándo argumentar con el conductor. Esto será muy útil cuando yo decida liberarme del sistema de guía, como lo he hecho en varias ocasiones, y finalmente perdido cada vez. Bueno, no realmente perdido porque cuando he dejado que el auto tome de nuevo el control, volvemos a la ruta en diez minutos; en fin, usted sabe qué quiero decir. No podía esperarme a platicar con mis amigos lo que significa conducir de verdad. Hecho clave Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil16 1 También me estoy anticipando a usar el sistema de visión mejorado por computa- dora. No porque necesite ver por dónde voy las más de las veces, sino porque sería simpático poder ver el interior de los autos de otras personas. Me asombra lo bien que funciona el aparato de grabación. Contar con un despachador de bebidas de varios sabores será bonito pero por desgracia no se llena solo si se vacía entre servicios, por lo que tendré que aprender a llenar el tanque de agua. Espero que eso mejore en el próximo modelo. Darle servicio al nuevo auto va a ser mucho más fácil. Desde luego, todo lo que tiene que hacer es llevar el auto al centro de servicio local (o enviarlo por sí solo) y ahí se encargarán de cambiar todo el sistema de la transmisión por uno nuevo. Al parecer es más económico importar la nueva y totalmente integrada transmi- sión y el sistema del chasis, que reparar o dar servicio a los antiguos. Creo que eso se llevará más de una hora, por lo que probablemente enviaré el auto por la noche o cuando esté trabajando en casa. Seguramente el auto estará aquí pronto. El más radical aspecto de diseño de mi nuevo auto, si por fin llega, es la capaci- dad de apagarlo cada vez que necesite ayuda y ¡lo hace usted mismo! No puedo esperar más a probarlo. Sin embargo, tiendo a creer que la cobertura del seguro se limita si utiliza el auto en las wired roads (autopistas cercadas, wiro, para abre- viar). Evidentemente, la ocasión de sufrir un accidente aumenta muchísimo cuando las personas empiezan a conducir ellas mismas. Incluso yo tengo que hacerlo en algún momento. El problema es que ahora 98% de las carreteras están cercadas, por lo que debo tener mucho cuidado. Las pocas que no lo están, han sido toma- das por el grupo de los “Amigos de los autos clásicos”. Ya sabe quiénes son estas personas a las que les gusta conducir cosas como el antiguo Mondeo o un Escort. Para estar a salvo sólo utilizo una de las pistas de prueba. ¡Aquí está, mi auto nuevo está aquí! Fue asombroso verlo llegar sin conductor a mi garaje y sin embargo todo lucía en plenitud. También fue algo triste ver a mi viejo auto retirarse por la calzada, pero al final la transferencia de datos al nuevo auto se completó sin problemas. Ya lo sabe, extrañaré mi viejo auto. ¡Hey! ¿Hay una característica que no aparece en la lista de mi nuevo auto? Verificaré el archivo ReadMe.HoloTxt. En cuanto salté al auto, el asiento se movió y sentí cómo se ajustaba a mi manera de ser. Fue mejor de lo que esperaba, era muy confortable. “Bienvenido, señor”, dijo el auto y me hizo saltar como sucede siempre la primera vez. “Hola”, respondí después de unos momentos, “oh, y por favor llámame Tomás”. “No hay pro- blema” respondió sin ninguna demora notable. “¿Le gustaría ir a hacer una prueba de manejo en la pista, Tomás?” continuó. Le contesté luego de una demora breve pero cuidadosamente calculada. Me agradó su actitud, por lo que le dije “Sí, vaya- mos a ver a los muchachos en la pista.” “¿Sería en pista cinco, como de costum- bre, Tomás?”, continuó, a lo que contesté afirmativamente, un poco más agudo de lo que pretendía, porque, bueno, era nuestro primer contacto. “Si lo prefiere, desactivaré mis subrutinas de inteligencia o las ajustaré, no necesita hacer la tra- vesía conmigo”. “No lo haré”. Lo dije con enfado, y entonces me di cuenta de que ¡estaba arguyendo con mi auto! “Sólo llévame a la pista cinco”, dije firmemente. Ya en el camino, era tan suave y confortable que casi me duermo. Y allá vamos, mi nuevo amigo el auto y yo, en menos de media hora, lo cual fue bueno. Ahí fue donde descubrí el interruptor maestro del control de ayuda de conducción, clasi- ficado en mi PIN y le dije que desactivara todos los sistemas de asistencia, engra- nar la barra de dirección y me dejara solo. ¡Me gusta mi nuevo auto! Rodé por la pista suavemente al principio, porque se sentía muy extraño, pero se me hizo fantástico ser capaz de tomar el control del auto. Fantástico, bostezo, no estoy dormido en… ¡Ouch! ¿Qué fue eso? Se sintió como un pinchazo. ¡No se pique los ojos con palillos! Primeros auxilios Desarrollo del sistema eléctrico del automóvil 171 1.2.5 La muerte del automóvil. ¿Energía? (Publicado por primera vez en 2011) Ahora, la mayor parte del tiempo no salgo a trabajar y eso no es porque ya no tenga auto, sino porque realmente no lo necesito para viajar. Todo lo que puedo hacer en el trabajo lo hago ahora en casa debido a la conexión “uber-fast” de Internet que permite conferencias en 3D total y tener acceso a los datos mundia- les a través de la red de semántica. Desde luego, cuando necesito un auto me basta con llamarlo y se presenta en 10 o 15 minutos y, en cuanto le digo cuál es el destino, queda bajo el control del GPS guiado. Imagínese, cuando el sistema de transporte de partículas de punto a punto (PTPPT) esté terminado, inclusive el auto con GPS ya no será necesario. Sin embargo, estoy orgulloso de tener mi BMW 5 serie M-Sport para disfrutarlo los fines de semana; sólo tiene como 10 ECUs, tres redes de comunicación, sis- temas GPRS conectados, un control electrónico ISO central y garganta de estran- gulación por cable, por lo que es bastante fácil de reparar. ¡Ah, qué días aquellos! Figura 1.11 Interior de un vehículo según el concepto de Sony (fuente: Visteon). Figura 1.10 Robert Bosch construyó su primer dispositivo de encendido por generador en 1887 para un ingeniero mecánico. La unidad de ignición, que se usaba en un motor estacionario de petróleo y gasolina, despertó la curiosidad técnica de Bosch. Definición PTPPT: Transportador de partículas punto a punto. 2C A P Í T U L O 2.1 Prácticas de trabajo con seguridad 2.1.1 Introducción La práctica de trabajar con seguridad en relación con los sistemas eléctricos y electrónicos es esencial para su seguridad y para la de sus compañeros.Basta con que observe las siguientes dos reglas para estar seguro. • Aplique el sentido común, no lo menosprecie • Si tiene dudas, pida ayuda La siguiente sección enumera algunos riesgos, en particular para cuando se trabaja con sistemas eléctricos o electrónicos, y algunas sugerencias para reducirlos. A esto se le conoce como evaluación de riesgos. 2.1.2 Evaluación y reducción de riesgos La tabla 2.1 enumera algunos riesgos identificados que se ven implicados cuando se trabaja en vehículos, en particular en los sistemas eléctrico y elec trónico. Aunque la tabla no es exhaustiva, funciona como una buena guía. 2.2 Principios básicos de electricidad 2.2.1 Introducción Para entender adecuadamente la electricidad, debemos empezar por saber qué es en realidad (vea la figura 2.1, la cual representa un átomo). La molécula es la parte más pequeña de una sustancia en particular. Los átomos resultan de la subdivisión de la molécula, y son las partes más pequeñas de materia. Un elemento es una sustancia que comprende átomos de un solo tipo. El átomo consta de un núcleo central formado por protones y neutrones. En torno a este núcleo giran los electrones en forma de órbita, como los planetas alrededor del sol. El neutrón es una parte muy pequeña del núcleo. Tiene car gas positivas y negativas iguales, por lo que es neutral y no tiene polaridad. El protón es otra parte pequeña del núcleo y su carga es positiva. El neutrón es neutro y el protón está cargado positivamente, lo cual significa que el núcleo del átomo está cargado positivamente. El electrón es incluso una parte más pequeña del átomo y está cargado negativamente. Gira alrededor del núcleo y se mantiene en órbita por la atracción del protón cargado positivamente. Todos los electrones son semejantes, no importa de qué tipo de átomo provengan. La clave para trabajar seguro: sentido común. Primeros auxilios Principios de electricidad y de electrónica electrón protón neutrón núcleo Figura 2.1 El átomo. Cuando los átomos se encuentran en un estado de balance, la cantidad de elec trones que orbitan el núcleo es igual al número de protones. Los átomos de algu nos materiales tienen electrones que se desprenden fácilmente del átomo padre y por lo tanto se pueden unir a un átomo adyacente. Al hacerlo, estos átomos quitan un electrón del átomo padre y lo pasan a otro átomo (como se repelen las pola ridades) y así a través de la materia. Es un movimiento aleatorio y los electrones involucrados se llaman electrones libres. Hay materiales a los que se les llama conductores si los electrones se pueden mover fácilmente. En algunos materiales es extremadamente difícil mover electro nes desde sus átomos padre. A estos materiales se les denomina aislantes. 2.2.2 Flujo de electrones y flujo convencional Si se aplica una presión eléctrica (fuerza electromotriz o voltaje) a un conductor, se dará un movimiento direccional de electrones (por ejemplo al conectar una bate ría a un cable). Esto se debe a que los electrones son atraídos al lado positivo y repelidos por el lado negativo. Para que haya un flujo de electrones se requieren ciertas condiciones: • Una fuente de presión, como una batería o un generador. • Una ruta completa de conducción en la cual se puedan mover los electrones (como sucede con los cables). Tabla 2.1 Riesgos y su reducción Riesgo identificado Reducción del riesgo Choque eléctrico El encendido de alta tensión es el lugar más común para sufrir un choque, que por lo general es de más de 40,000 volts. Utilice herramientas aisladas si necesita trabajar en circuitos de alta tensión cuando el automóvil esté funcionando. Observe que el alto voltaje también está presente en circuitos que contienen devanados por la FEM (fuerza electromotriz) inversa al desconectarse, que por lo común es de pocos cientos de volts. Es muy recomendable que las principales herramientas de suministro de potencia y sus conductores estén en buenas condiciones y se utilice una cinta de anclaje a tierra. Trabaje en los HEV y EV sólo si está capacitado en el manejo de sistemas de alto voltaje. Ácido de batería El ácido sulfúrico es corrosivo, por lo que use siempre buenos PPE. En este caso overoles y si es necesario guantes de goma. Sería ideal un mandil de goma, así como anteojos protectores si se va a trabajar mucho con baterías. Vehículos en cuesta arriba o cuesta abajo Aplique frenos y/o bloquee las ruedas, ya sea que levante un vehículo sobre un gato o lo conduzca en de- clive. Fije el gato solamente en puntos clave de las estructuras del chasis y de la suspensión. Use polines en caso de que falte el gato. Motores funcionando No use ropa holgada, los overoles son ideales. Tenga las llaves consigo cuando trabaje en un motor para evitar que alguien más lo encienda. Tenga sumo cuidado si trabaja cerca de bandas que estén funcionando. Expulsión de gases Se debe utilizar un extractor adecuado si el motor está funcionando en lugares cerrados. Recuerde que no sólo el CO puede enfermarle o matarle, hay otros componentes en la expulsión de gases que pueden causarle asma o inclusive cáncer. Cargas en movimiento Sólo levante lo que sienta cómodo, pida ayuda si lo requiere y/o utilice equipo de levantamiento. Como guía general, no levante solo algo que sienta demasiado pesado. Cortocircuitos Utilice un desviador de fusible en línea para evitar daños por cortocircuito cuando haga pruebas. Desconecte la batería (primero el poste de tierra y al colocarlo de nuevo póngalo al último) si hay peligro de cortocircuito. De una batería de automóvil puede fluir una corriente muy alta que le podría quemar e incluso al auto mismo. Fuego No fume si trabaja en un vehículo. Las fugas de combustible se deben atender de inmediato. Recuerde el triángulo del fuego: calor-combustible-oxígeno; no permita que se junten los tres. Problemas en la piel Aplíquese una buena crema limpiadora y/o utilice guantes de látex. Lave la piel y los guantes con regula- ridad. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil20 2 A un flujo electrónico se le denomina corriente eléctrica. La figura 2.3 muestra un circuito eléctrico simple en el que está conectada la terminal positiva de la bate ría, a través de un interruptor y una lámpara, a la terminal negativa de la batería. Con el interruptor abierto la energía química de la batería removerá los electrones de la terminal positiva a la terminal negativa a través de la batería. Esto deja a la terminal positiva con menos electrones y a la terminal negativa con un excedente de electrones. Por consiguiente, hay una presión eléctrica entre las terminales de la batería. Con el interruptor cerrado los electrones excedentes en la terminal negativa fluirán a través de la lámpara de nuevo hacia la terminal positiva carente de electrones. La lámpara brillará y la energía química de la batería mantendrá los electrones moviéndose en este circuito de negativo a positivo. A este movimiento de nega tivo a positivo se le denomina flujo de electrones y continuará mientras la batería suministre la presión, es decir mientras esté cargada. • El flujo de electrones es de negativo a positivo Hubo un tiempo en que se pensaba que la corriente fluía de positivo a negativo y esta convención aún se sigue para muchos propósitos prácticos. En consecuen cia, aun cuando este flujo de corriente no es correcto, el punto más importante es que seguiremos la misma convención. • Se dice que el flujo de corriente convencional es de positivo a negativo. 2.2.3 Efectos del flujo de corriente Cuando una corriente fluye en un circuito, sólo pueden darse tres efectos: • Calor • Magnetismo • Químico El efecto de calentamiento es la base de componentes eléctricos como los enchu fes de lámparas y calentadores. El efecto magnético es la base de relevadores, motores y generadores. El efecto químico es la base para la galvanoplastia y la carga de baterías. Figura 2.2 Los componentes electrónicoshan hecho posible tecnología como la del Tesla Roadster, que alcanza más de 200 km/h. Interruptor Figura 2.3 Circuito eléctrico sencillo. Se dice que el flujo de corriente convencional es de positivo a negativo. Hecho clave Principios de electricidad y de electrónica 212 En el circuito que se muestra en la figura 2.4, la energía química de la batería se convierte primero en energía eléctrica y luego en energía de calor en el filamento de la lámpara. Los tres efectos eléctricos son reversibles. El calor aplicado a un termo par oca sionará una fuerza electromotriz pequeña y por lo tanto que fluya una pequeña corriente. El uso práctico de esto se aplica sobre todo en instrumentos. Una bobina de cable enrollado en el campo de un magneto producirá una fuerza elec tromotriz y hará que fluya una corriente. Esta es la base de un generador. La acción química, como en una batería, produce una fuerza electromotriz, la cual hace que fluya una corriente. 2.2.4 Cantidades fundamentales En la figura 2.5 el número de electrones que cruzan por la lámpara cada segundo se describe como velocidad de flujo. Lo que hace que el electrón fluya es la pre sión eléctrica; la lámpara se opone a la velocidad del flujo originada por la presión eléctrica. La fuerza es la tasa de trabajo o carga de energía de una forma a otra. Estas cantidades, como otras más, reciben nombres como se muestra en la tabla 2.2 de la pág. 28. Si la presión del voltaje aplicada al circuito se incrementara, pero la resistencia de la lámpara se mantuviera igual, entonces la corriente también aumentaría. Si el voltaje se mantuviera constante, pero la lámpara se cambiara por una de mayor resistencia, la corriente decaería. La ley de Ohm describe esta relación: en un cir cuito cerrado “la corriente es proporcional al voltaje, e inversamente proporcional a la resistencia”. Cuando un volt hace que un ampere fluya, la potencia (P) que se utiliza es un watt. Significado de símbolos: Voltaje = Corriente × Resistencia (V = IR) o (R = V/I) o (I = V/R) Potencia = Voltaje × Corriente (P = VI) o (I = P/V) o (V = P/I) 2.2.5 Descripción de los circuitos eléctricos Para describir los circuitos eléctricos hay tres términos útiles. • Circuito abierto. Se refiere a que el circuito está interrumpido, por lo cual la corriente no puede fluir. • Cortocircuito. Significa que una falla ha hecho que un cable toque a otro con ductor y la corriente lo utiliza como una vía más fácil para completar el circuito. • Alta resistencia. Esto indica que una parte del circuito ha desarrollado una resistencia alta (como una conexión sucia), lo cual reducirá la cantidad de corriente que puede fluir. Efecto de calor en un foco Efecto magnético en un motor o un generador Efecto químico en la batería Figura 2.4 Foco, motor y batería; efectos de calor, magnético y químico. Hecho clave Los tres efectos eléctricos son reversibles. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil22 2 2.2.6 Conductores, aisladores y semiconductores Todos los metales son conductores; la plata, el cobre y el aluminio están entre los mejores y se les utiliza a menudo. A los líquidos que también conducen una corriente eléctrica se les llama electrolitos. Por lo común los aislantes son no metálicos y entre ellos están el hule, la porcelana, el vidrio, los plásticos, el algo dón, la seda, el papel encerado y algunos líquidos. Algunos materiales pueden actuar como aislantes o conductores, dependiendo de las condiciones. A éstos se les llama semiconductores y se utilizan para construir transistores y diodos. 2.2.7 Factores que afectan la resistencia de un conductor Si se aplica un voltaje grande en un aislante se producirá un movimiento muy pequeño de electrones. Al aplicarse un pequeño voltaje en un conductor produ cirá un flujo grande de electrones o corriente. La cantidad de resistencia ofrecida por el conductor la determinan varios factores (figura 2.6). • Longitud. Cuanto más largo sea un conductor mayor será la resistencia. • Área de corte transversal (CSA). Cuanto mayor sea esta área menor será la resistencia. • El material del que está hecho el conductor. La resistencia ofrecida por un conductor variará según el material del que esté hecho. Esto se conoce como resistividad o resistencia específica del material. • Temperatura. La resistencia de la mayoría de los metales aumenta al elevarse la temperatura. 2.2.8 Redes de resistores y circuitos Por su baja resistencia, los buenos conductores se utilizan para transportar la corriente con el mínimo de pérdida de voltaje. Los resistores se usan para con trolar el flujo de corriente en un circuito, o bien para fijar niveles de voltaje. Están construidos con materiales que tienen una alta resistencia. Los resistores cuyo propósito es transportar corrientes bajas suelen estar hechos de carbón, y los que llevan corrientes altas están hechos con devanados. Los resistores se suelen presentar como parte de circuitos eléctricos básicos para explicar los principios implicados. Los circuitos que se muestran en la figura 2.7 son equivalentes, es decir, el circuito que muestra precisamente a los resisto res se utiliza para representar al otro circuito. Cuando los resistores están conectados de manera que sólo hay una ruta (figura 2.8) para que fluya la misma corriente a través de cada foco, están conectados en serie y se aplican las siguientes reglas. La potencia de un foco indica cuánta energía convertirá en calor y luz. Una potencia más alta hace más luz, lo por tanto �uirá más corriente. La batería tiene un voltaje o presión. Una presión más alta hará que �uya más corriente. Flujo de corriente. V P R El foco tiene una resistencia al �ujo. Una resistencia más alta reducirá el �ujo de la corriente. Figura 2.5 Vínculos en un circuito eléctrico entre voltaje, corriente, resistencia y potencia. Los resistores se usan para controlar el flujo de corriente en un circuito, o bien para fijar niveles de voltaje. Hecho clave Principios de electricidad y de electrónica 232 • La corriente es la misma en todo el circuito. • El voltaje aplicado iguala la suma de las caídas de voltaje alrededor del circuito. • La resistencia total (RT) del circuito iguala la suma de los valores (R1 + R2 etc.) de la resistencia individual. Cuando los resistores o los focos están conectados de modo que ambos propor cionan más de una ruta (la figura 2.9 muestra dos rutas) para que la corriente fluya y tenga el mismo voltaje a través de cada componente, es porque están conecta dos en paralelo y se aplican las reglas siguientes: • El voltaje a través de todos los componentes de un circuito en paralelo es el mismo. • La corriente total iguala la suma de la corriente que fluye por cada derivación. La temperatura modifica la resistencia. La resistencia de la mayoría de los metales se incrementa conforme se eleva la temperatura. Conductor eléctrico La longitud aumentada incrementa la resistencia El área de corte transversal aumentado reduce la resistencia. Diferentes materiales tienen diferentes resistencias. . Figura 2.6 Factores que afectan la resistencia eléctrica. Está representado por M Figura 2.7 Un circuito equivalente. Figura 2.8 Circuito en serie. Figura 2.9 Circuito en paralelo. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil24 2 • La corriente se reparte dependiendo de la resistencia de cada componente. • La resistencia total del circuito (RT) se puede calcular por: 1/RT = 1/R1 + 1/R2 o bien RT = (R1 × R2)/(R1 + R2) 2.2.9 Magnetismo y electromagnetismo El magnetismo se puede crear por un imán permanente o por un electroimán (recuerde que es uno de los tres efectos de la electricidad). El espacio en torno a un imán en el cual se puede detectar el efecto magnético se denomina campo magnético. La forma de los campos magnéticos en los diagramas se representa por líneas de flujo o líneas de fuerza.Algunas reglas sobre el magnetismo: • Polos opuestos se atraen. Polos iguales se repelen. • Las líneas de fuerza en la misma dirección repelen a las de al lado, pero en direcciones opuestas se atraen. • La corriente que fluye en un conductor creará un campo magnético alrededor del conductor. La fortaleza del campo magnético se determina por la cantidad de corriente que está fluyendo. • Si un conductor está arrollado dentro de una bobina o solenoide, el magne tismo resultante es el mismo que en un imán de barra permanente. Los electroimanes se usan en motores, relevadores e inyectores de combustible, por mencionar sólo algunas aplicaciones. La fuerza sobre un conductor portador de corriente en un campo magnético se origina porque interactúan los dos cam pos magnéticos. Este es el principio básico de cómo funciona un motor. La figura 2.10 muestra una representación de estos campos magnéticos. Figura 2.10 Campos magnéticos. Corriente que �uye en el sentido de las manecillas del reloj Imán de barra permanente Solenoide (bobina o devanado) Corriente que �uye en sentido contrario al de las manecillas del reloj Sección de un motor Principios de electricidad y de electrónica 252 2.2.10 Inducción electromagnética Leyes básicas: • Cuando un conductor corta o es cortado por magnetismo, se induce un voltaje en el conductor. • La dirección del voltaje inducido depende de la dirección del campo magnético y de la dirección en la cual se mueve el campo en relación con el conductor. • El nivel de voltaje es proporcional a la velocidad en que el conductor corta o es cortado por el magnetismo. Este efecto de inducción, es decir que el voltaje se genera en el cable, es el prin- cipio fundamental de cómo trabajan los generadores, como el alternador en un automóvil. Un generador es una máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. La figura 2.11 muestra un cable moviéndose en un campo mag- nético. 2.2.11 Inducción mutua Si dos bobinas (conocidas como primaria y secundaria) están enrolladas en el mismo núcleo de hierro, cualquier cambio en el magnetismo de una bobina indu- cirá un voltaje en la otra. Esto sucede cuando en la bobina primaria se conecta y desconecta una corriente. Si el número de vueltas de cable en la bobina secun- daria es mayor que en la primaria, se obtiene un voltaje más alto. Si el número de vueltas de cable en la bobina es menor que en la primaria, se obtiene un voltaje más bajo. A esto se le llama “acción de transformador” y es el principio de la bobina de encendido. La figura 2.12 muestra el principio de la inducción mutua. El valor de este voltaje de “mutualidad inducida” depende de: • La corriente primaria. • La razón entre las vueltas del devanando de las bobinas primaria y secundaria. • La velocidad a que cambia el magnetismo. 2.2.12 Definiciones y leyes Ley de Ohm • Para la mayoría de conductores, la corriente que fluirá a través de ellos es direc- tamente proporcional al voltaje que se les aplique. La razón de voltaje a corriente se conoce como resistencia. Si esta razón perma- nece constante durante un rango amplio de voltajes, se dice que el material es “óhmico”. V = I/R donde: I = corriente en amperes, V = voltaje en volts; R = resistencia en ohms. Se llama ley de Omh porque Georg Simon Ohm, físico alemán, fue quien la pos- tuló. También es reconocido por su trabajo sobre las corrientes eléctricas. Ley de Lenz • La FEM inducida en un circuito eléctrico siempre actúa en una dirección, de modo que la corriente que crea alrededor del circuito opondrá el cambio en el flujo magnético que lo causa. La ley de Lenz da la dirección de la FEM inducida que resulta de la inducción electromagnética. A la FEM “opuesta” se le suele describir como la “FEM inversa”. La ley se denomina así por el físico estoniano Heinrich Lenz. Definición Un generador es una máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Figura 2.11 Inducción. Figura 2.12 Inducción mutua. Hecho clave La acción del transformador es el principio de la bobina de encendido. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil26 2 Leyes de Kirchhoff Primera ley de Kirchoff: • La corriente que fluye hacia un empalme en un circuito debe ser igual a la corriente que fluye hacia fuera del empalme. Esta ley es un resultado directo de la conservación de la carga: no se puede perder carga en el empalme, de modo que toda carga que fluya hacia el interior también debe fluir hacia el exterior. Segunda ley de Kirchhoff: • Para cualquier ruta de ciclo cerrado alrededor de un circuito, la suma del voltaje gana y pierde siempre igual a cero. Esto es lo mismo pues el circuito en serie establece que la suma de todas las caídas de voltaje siempre será igual al voltaje suministrado. El nombre de esta ley proviene de Gustav Robert Kirchhoff, físico alemán, quien también descubrió el cesio y el rubidio. Ley de Faraday • Toda carga en el campo magnético alrededor de una bobina de cable siempre ocasionará una FEM (voltaje) que se ha de inducir en la bobina. Aquí es importante notar que el voltaje se generará de manera independiente de cómo se produzca el cambio, es decir, que el cambio se daría por una modifica ción en la fuerza del campo magnético; por algún movimiento del campo magné tico hacia dentro o hacia fuera de la bobina, o que se mueva la bobina dentro o fuera del campo magnético; que se gire la bobina con respecto al campo magné tico o por cualquier otra causa. Michael Faraday fue un físico y químico británico, reconocido por sus descubri mientos de la inducción electromagnética y por las leyes de la electrolisis. Reglas de Fleming • En una máquina eléctrica el primer dedo se alinea con el campo magnético, el segundo con la corriente y el pulgar lo hace con el mecanismo. Esta regla se refiere a la dirección del campo magnético, el mecanismo y la corriente en las máquinas eléctricas. La mano izquierda se aplica para moto res, y la derecha para generadores (recuerde lo de enderezador y generador). El diseñador de estas reglas fue el físico inglés John Fleming. Ley de Ampere • Para toda ruta de ciclo (o bucle) cerrado, la suma de elementos de longitud por el campo magnético en la dirección de los elementos es igual a la permeabili dad por la corriente eléctrica contenida en el ciclo. En otras palabras, el campo magnético en torno a la corriente eléctrica es propor cional a la corriente eléctrica que la crea, y el campo eléctrico es proporcional a la carga que lo crea. André Marie Ampere, científico francés, es conocido por sus importantes contri buciones al estudio de la electrodinámica. Resumen Es tentador cerrar esta sección acudiendo a algunas de las leyes de Murphy, por ejemplo: • Si algo puede salir mal, resultará peor… • Siempre encontrará lo que busca, en el último lugar que busque… Figura 2.13 Reglas de Fleming Principios de electricidad y de electrónica 272 • En tráfico atorado, el carril en que usted no va siempre circula más rápido… ¡…pero tomé la decisión contraria! Tabla 2.2 Cantidades, símbolos y unidades. Nombre Definición Símbolo Fórmula común Nombre unitario Abreviatura Carga eléc- trica Un coulomb es la cantidad de electricidad transportada por una corriente de un ampere en un segundo. Q Q = It coulomb C Flujo eléctrico o corriente La cantidad de electrones que pasan en un segundo por un punto fijo. I I = V/R ampere A Presión eléctrica La presión de un volt aplicada a un cir- cuito producirá un flujo de corriente de 1 ampere si la resistencia del circuito es de 1 ohm. V V = IR volt V Resistencia eléctrica Es lo opuesto al flujo de corriente en un material o circuito cuando se le aplica un voltaje. R R = V/I ohm Ω Conductancia eléctrica Capacidad de un material de conducir una corriente eléctrica. Un siemens es igual a un ampere por volt. Antes se le llamaba mho, u ohm recíproco. G G = 1/R siemens S Densidadde la corriente Es la corriente por área unitaria. Es útil para calcular el conductor requerido en áreas de corte transversal. J J = I/A (A = área) A m–2 Resistividad Medida de la capacidad de un material para resistir el flujo de una corriente eléctri- ca. Numéricamente es igual a la resisten- cia de una muestra de longitud unitaria y a un área unitaria de corte transversal, y su unidad es el óhmetro. Un buen conductor tiene una resistividad baja (1.7 × 10−8 Ω m de cobre); un aislante tiene una resis- tividad alta (10 × 1015 Ω m de polietano). ρ (rho) R = ρL/A (L = longitud A = área) ohm metro Ω m Conductividad Lo recíproco de resistividad. σ (sigma) σ = 1/ρ ohm–1 metro–1 Ω-1 m-1 Energía eléctrica Cuando un voltaje de 1 volt hace que flu- ya una corriente de 1 ampere la potencia desarrollada es de 1 watt. P P = IV P = I 2R P = V 2/R watt W Capacitancia Propiedad de un condensador que de- termina cuánta carga se debe almacenar en él para una diferencia potencial dada entre sus terminales. C C = Q/V C = ε A/d (A = área de placa, d = distancia entre, ε = per- mitividad de dieléctrico) farad F Inductancia Donde una corriente cambiante en un circuito conforma un campo magnético el cual induce una fuerza electromotriz ya sea en el circuito en sí y la corriente opuesta (autoinductancia) o en otro cir- cuito (inductancia mutua). L i V R e Rt L= −( )−1 / ( i = corriente instantánea, R = resistencia, L = inductancia, t = tiempo, e = base de registros naturales) henry H (continúa) Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil28 2 Tabla 2.2 (continúa) Nombre Definición Símbolo Fórmula común Nombre unitario Abreviatura Fuerza o intensidad del campo magnético La fuerza de un campo magnético es una de las dos formas en que se puede ex- presar la intensidad de un campo mag- nético. Se apunta una dirección entre la fuerza H del campo magnético y la densi- dad B del flujo magnético. H H = B/μ 0 (μ 0 es la permeabilidad magnética de espacio) amperios por metro A/m (Una antigua unidad para la fuerza del campo mag- nético es el oersted: 1 A/m = 0.01258 oersted) Flujo magnético Medida de la fuerza del campo magnéti- co a lo largo de un área dada. Φ (fi) Φ = μHA (μ = permeabilidad magnética, H = intensi- dad del campo magné- tico, A = área) weber Wb Densidad del flujo magnético La densidad del flujo magnético es un tesla, que es igual a un weber por me- tro cuadrado. También se maneja en medidas de Newton-metros por ampere (Nm/A) B B = H/A B = H × μ (μ = permeabilidad magnética de la sustan- cia, A = área) tesla T 2.3 Componentes y circuitos electrónicos 2.3.1 Introducción En esta sección describimos los principios y aplicaciones de varios circuitos electrónicos, sin la intención de explicar con detalle la operación. Más bien pre tendemos hacerlo brevemente sobre cómo funcionan los circuitos y, lo más impor tante, cómo y dónde se pueden utilizar en aplicaciones vehiculares. Los circuitos descritos son ejemplos de los utilizados, y en cuanto a los detalles hay libros dedicados a la electrónica, los cuales puede consultar. Finalmente, la com prensión de los principios básicos de la electrónica ayudará a mostrar cómo tra bajan las unidades de control electrónico, desde una sencilla unidad de retardo de lámpara de interior hasta el más complicado sistema de administración de un motor. 2.3.2 Componentes Los principales dispositivos descritos aquí son conocidos como componentes discretos o individuales. La figura 2.14 muestra los símbolos utilizados para cons truir los circuitos que se muestran más adelante en esta sección. A muchos de los componentes que se muestran les sigue una sencilla y breve descripción. Quizá los resistores (o resistencias) sean el componente de mayor uso en circuitos electrónicos. Cuando se elija un resistor adecuado se deben considerar dos facto res, como son el valor en ohms y el rango de la potencia. Los resistores se utilizan para limitar el flujo de corriente y proporcionar caídas fijas de voltaje. La mayoría de resistores que se utilizan en circuitos electrónicos están hechos de pequeñas varillas de carbón, y el tamaño de la varilla determina la resistencia. Los resistores de carbón tienen un coeficiente de temperatura negativo (NTC) lo cual se debe tener en cuenta para algunas aplicaciones. Los resistores de película delgada tie nen cualidades de temperatura más estable y se construyen depositando una capa de carbón en un molde aislado como el vidrio. El valor de resistencia se puede fabricar con mucha precisión por surcos en espiral cortados en la película de Principios de electricidad y de electrónica 292 12 ν C el d a P rim ar ia Te rm in al d e b at er ía A lim en ta ci ón d e ca Fu si b le M ic ró fo no & 1 B oc in a Z um b ad or E le m en to d e ca le fa cc ió n Lá m p ar a R es is to r d ep en d ie nt e d e la lu z Fo to d io d o Te rm is to r E m p al m e ún ic o R es is to r C on d en sa d or P ol ar iz ad o A ju st e p re es ta b le ci d o In d uc to r co n nú cl eo m ag né tic o A ér eo Tr an sf or m ad or c on nú cl eo m ag né tic o In ve rs or S ch m itt R S -b ie st ab le A m p lif ic ad or op er at iv o Tr an si st or P N P Tr an si st or N P N A m p er ím et ro Vo ltí m et ro O sc ilo sc op io O R N O R Ti er ra G en er ad or M ot or B as tid or Va ria b le + P ot en ci óm et ro N O T (In ve rs or ) E O R (O R e xc lu si vo ) C on ta ct o d e in te rr up ci ón G M B ob in a d e re le va d or A l r eg re sa r el r es or te ha ce c on ta ct o E m p al m e d ob le C ru ce d e co nd uc to re s si n co ne xi ón e lé ct ric a A N D N A N D D io d o se m ic on d uc to r D io d o em is or d e lu z D io d o d e in te rr up ci ón > 1 > 1& S R A V – + In te rr up to r Fi g ur a 2. 14 S ím bo lo s de c irc ui to s. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil30 2 Definición Coeficiente de temperatura nega- tivo (NTC): al aumentar la tempera- tura la resistencia disminuye. Placas Los electrones son repelidos aquí desde el lado negativo de la batería. Interruptor Los electrones son atraídos desde aquí al lado positivo de la batería. Cuando el interruptor está abierto las placas permanecen como se muestra. Se le llama simplemente “cargado”. Figura 2.15 Condensador cargado. carbón. Para aplicaciones de mayor potencia los resistores suelen ser de cable enrollado; sin embargo, esto puede introducir inductancia en un circuito. Se cuenta con formas variables de la mayoría de resistores tanto en formas lineales como logarítmicas. La resistencia de un circuito es su oposición al flujo de corriente. Un condensador es un dispositivo para almacenar una carga eléctrica. En su forma sencilla consta de dos placas separadas por un material aislante. Una placa puede tener electrones en exceso comparada con la otra. Sus principales usos en los vehículos son reducir el arqueo a través de contactos, y en circuitos de radio para supresión de interferencia, así como en unidades de control electrónico. Los condensadores se describen como dos placas separadas por un dieléctrico. El área de las placas A, la distancia entre ellas d y la permitividad (ε) del dieléctrico determinan el valor de la capacitancia. La ecuación para su modelado es: C = εA/d También se suelen utilizar hojas de metal de estaño aisladas por un tipo de papel para construir condensadores. Las hojas se enrollan juntas dentro de un reci piente de estaño. Para alcanzar valores más altos de capacitancia es necesario reducir la distancia entre las placas a fin de mantener manejable el tamaño total del dispositivo. Esto se logra al sumergir una placa en un electrolito para depositar una capa de óxido de por logeneral 104 mm de grueso, lo que garantiza un valor más alto de capacitancia. Ahora el problema es que esto le hace consciente de la polaridad del dispositivo y sólo capaz de resistir voltajes bajos. Se dispone de condensadores variables que se modifican al cambiar cualquiera de las variables dadas en la ecuación anterior. La unidad de capacitancia es el farad (F). Un cir cuito tiene una capacitancia de un farad (1 F) cuando la carga almacenada es un culombio y la diferencia de potencial es 1 V. La figura 2.15 muestra un condensa dor cargado desde una batería. A los diodos se les suele describir como válvulas de una dirección y para la mayo ría de aplicaciones ésta es una descripción aceptable. Un diodo es un simple empalme PN que permite un flujo de electrones desde el material de tipo N (de desviación negativa) al material de tipo P (de desviación positiva). Los materiales usualmente se construyen a partir de sílice compuesto. Los diodos son disposi tivos no perfectos y se requiere un voltaje de alrededor de 0.6 V para conectar el diodo en su dirección de desviación hacia adelante. Los diodos Zener son muy parecidos en su funcionamiento, excepto que están diseñados para interrumpir Principios de electricidad y de electrónica 312 Figura 2.16 Paquetes de IGBT. (Fuente: Tesla Motors) y conducir en dirección opuesta a un voltaje predeterminado. Se les puede consi derar como un tipo de válvula de liberación de presión. Los transistores son los dispositivos que han permitido el avance de los actuales sistemas electrónicos pequeños y complejos. Ellos han reemplazado a las válvulas del tipo térmico. El transistor se utiliza tanto como un conmutador transistorizado o como un amplificador. Los transistores están hechos del mismo tipo P y N de materiales semiconductores como los diodos, y también pueden ser del formato NPN o PNP. Las tres terminales se conocen como la base, el colector y el emisor. Cuando a la base la suple la desviación correcta el circuito entre el colector y el emisor será conductor. La corriente base puede ser 200 veces menor que la del emisor. La razón de la corriente que fluye a través de la base comparada con la corriente que pasa por el emisor (Ie/Ib) es una indicación del factor de amplifica ción del dispositivo y en ocasiones está dado por el símbolo. Otro tipo de transistor es el FET (Field Effect Transistor) o transistor de efecto de campo. Este dispositivo tiene una mayor impedancia de entrada que el tipo bipo lar que se describe más adelante. Los FET están construidos en su forma básica como dispositivos de canal N o de canal P. Las tres terminales se conocen como compuerta (o válvula), fuente y drenado. El voltaje en la terminal de compuerta controla la conductancia del circuito entre el drenado y la fuente. Un nuevo e importante avance en la tecnología del transistor es el transistor bipo lar de compuerta IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor). Este transistor (figura 2.16) es un dispositivo semiconductor de potencia de tres terminales, notable por su alta eficiencia y rápida conexión. Conecta la energía eléctrica en muchos aparatos modernos: automóviles eléctricos, trenes, refrigeradores de velocidad variable, acondicionadores de aire, e incluso sistemas de estereofonía con ampli ficadores de conexión. Como está diseñado para encender y apagar de manera rápida, los amplificadores que lo utilizan a menudo sintetizan formas de onda complejas o compuestas con pulso, modelación y filtros de paso bajo. Los inductores se usan con más frecuencia como parte de un oscilador o de cir cuito de amplificador. En estas aplicaciones lo esencial es que el inductor sea esta ble y tenga un tamaño razonable. La construcción fundamental de un inductor es una bobina de cable arrollado en un molde o matriz. El efecto magnético de los cambios en un flujo de corriente es lo que da a este dispositivo las propiedades de la inductancia. De hecho, la inductancia es una propiedad difícil de controlar, en particular cuando el valor de la inductancia se incrementa debido al acoplamiento magnético con otros dispositivos. Embutir la bobina en un contenedor reducirá esto, pero entonces las corrientes parásitas se inducen en el contenedor, lo cual afecta el valor de la inductancia total. Se utilizan núcleos de hierro para incremen tar el valor de la inductancia en cuanto éste modifica la permeabilidad del núcleo. Sin embargo, esto también permite que los dispositivos ajustables muevan la posición del núcleo. Esto sólo permite que el valor cambie en un porcentaje bajo, pero es útil para afinar un circuito. A los inductores, y en particular los de valores altos, se les conoce como reguladores y se pueden utilizar en circuitos de CD Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil32 2 Figura 2.17 Componentes de circuito integrado. Figura 2.18 Paquete típico de un circuito integrado. para atenuar el voltaje. El valor de la inductancia es el Henry (H). Un circuito tiene una inductancia de un Henry (1 H) cuando una corriente, al tener un cambio de un ampere por segundo, induce una fuerza electromotriz de un volt en ella. 2.3.3 Circuitos integrados Los circuitos integrados (CI) se construyen con una tableta de silicio conocida como sustrato. En un CI se pueden combinar algunos de los componentes antes mencionados para desempeñar varias tareas como conectar, amplificar y otras funciones lógicas. De hecho, los componentes requeridos para estos circuitos se pueden hacer directamente en la tableta de silicio. La gran ventaja de esto no es sólo el tamaño de los CI sino la velocidad a la que pueden funcionar, dada la corta distancia entre los componentes. Son típicas las velocidades de conexión arriba de 1 MHz. Hay cuatro etapas principales en la construcción de un CI. La primera es la oxi dación por exposición de la tableta de silicio a una corriente de oxígeno a alta temperatura. El óxido formado es un excelente aislador. El siguiente proceso es el de fotograbado en el que se retira parte del óxido. La tableta de silicio se cubre con un material resistente a la luz (fotorresistente), el cual se endurece cuando se expone a la luz. Ahora ya se puede imprimir la tableta de silicio oxidada, ya cubierta con el material resistente a la luz por un patrón de transparencia fotográ fica. Se lava la tableta en ácido para retirar del silicio las áreas no protegidas al ser expuestas a la luz. El paso siguiente es la difusión, donde se calienta el silicio en una atmósfera de una impureza como el boro o el fósforo, lo que hace que las áreas expuestas se hagan del tipo de silicio p o n. La etapa final es la epitaxis, nombre que se da al agrandamiento de cristal. Las nuevas capas del silicio se pueden crecer y suavizar para que se conviertan en tipo n o p como antes. Es posible formar resistores de una manera similar y se pueden alcanzar pequeños valores de capacitancia. Pero lo que no es posible es formar inductancia alguna en un chip. La figura 2.18 muestra una representación de los “paquetes” que los circuitos integrados suministran para su uso en circuitos electrónicos. El rango y tipos de circuitos integrados disponibles ahora son tan extensos que se puede disponer de un chip para casi cualquier aplicación. El nivel de integración de chips que se ha alcanzado ahora, y en muchos casos es excesivo, es la inte gración en muy grande escala, VLSI (Very Large Scale Integration). Esto significa que en un chip puede haber más de 100 000 elementos activos. El avance en Principios de electricidad y de electrónica 332 Hecho clave Los microprocesadores actuales tienen muchos millones de compuertas y miles de millones de transistores individuales (en exceso de VLSI). Figura 2.19 Circuito amplificador sencillo. Salida Rc +V Rb1 Entrada C1 b c e Rb2 Re C2 0 V Condensador de desacoplamiento Figura 2.20 Circuito práctico amplificador de CA. esta área es tan rápido que a veces a la ciencia de la electrónicale preocupa la elección de la correcta combinación de chips, y los componentes discretos sólo se utilizan como etapas de conmutación final o de salida de potencia. 2.3.4 Amplificadores La forma más sencilla de amplificador incluye sólo un resistor y un transistor, como lo muestra la figura 2.19. Un pequeño cambio de corriente en la terminal de entrada causará un cambio igual de corriente a través del transistor, y en la ter minal de salida se verá una señal amplificada. Sin embargo, observe que la salida estará invertida en comparación con la entrada. Este circuito tan sencillo tiene muchas aplicaciones cuando se utiliza más como interruptor que como amplifi cador. Por ejemplo, se puede usar una corriente muy pequeña que fluya hacia la entrada para hacer funcionar, digamos, a un relevador bobinado que esté conec tado en lugar del resistor. Uno de los principales problemas con este tipo de amplificador transistor es que la ganancia de un transistor (b) puede ser variable y no lineal. Para evitar esto, se aplica algún tipo de realimentación para conformar un circuito con características más apropiadas. La figura 2.20 muestra un amplificador de CA más práctico. Los resistores Rb1 y Rb2 establecen el voltaje base del transistor y, dado que el voltaje del emisor base es constante a 0.6 V, éste a su vez establece el voltaje del emisor. La corriente estanca que pasa a través de los resistores del colector y el emisor (Rc y Re) se define aquí y los pequeños cambios de la señal en la entrada se reflejarán en una forma amplificada en la salida, pero ahora invertidos. Una aproximación razonable de la ganancia de voltaje de este circuito se puede calcular como Rc/Re. El condensador C1 se utiliza para prevenir cualquier cambio en desviaciones de CD en la terminal de base y el C2 funciona para reducir la impedancia del circuito emisor. Esto asegura que el Re no afecte la salida. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil34 2 SalidaSalida Entrada V2Entrada V1 –V +V Figura 2.21 Amplificador de CD de par de cola larga. Para amplificación de señales de CD se utiliza comúnmente un amplificador dife rencial, el cual amplifica la diferencia de voltaje entre dos terminales de entrada. El circuito que se muestra en la figura 2.21, conocido como par de cola larga, es de uso casi universal en amplificadores de CD. Los transistores se eligen de modo que tengan características muy similares. Para componentes discretos se suministran adjuntos al mismo vertedero térmico y, en aplicaciones integradas, el método de construcción asegura estabilidad. Los cambios en la entrada afectarán de la misma manera el voltaje del emisor base de cada transistor, de tal manera que el flujo de corriente a través del Re perma necerá constante. Cualquier cambio de temperatura, por ejemplo, afectará ambos transistores del mismo modo, y por consiguiente, el voltaje diferencial de salida se mantendrá sin cambio. La propiedad importante del amplificador diferencial es su capacidad de amplificar la diferencia entre dos señales, pero no las señales en sí. Los amplificadores diferenciales de circuito integrado son muy comunes, uno de los cuales es el amplificador operacional 741. Este tipo de amplificador tiene una ganan cia de CD en la región de 100 000. Los amplificadores operacionales se utilizan en muchas aplicaciones, en particular como amplificadores de señal. Un rol principal de este dispositivo es también el de actuar como un amortiguador entre un sensor y una carga, como sucede en una pantalla. El circuito interno de este tipo de dispositivos puede ser muy complicado, pero las conexiones externas y los componentes se pue den llevar a un mínimo. No es frecuente que se necesite una ganancia de 100 000, por lo tanto, con conexiones sencillas y algunos resistores se pueden modificar las características del amplificador operacional para hacer útil la aplicación. Se usan dos formas de realimentación negativa para lograr una ganancia adecuada y de precisión. En la figura 2.22 se muestran estos circuitos y se les suele conocer como circuitos de amplificador operacional de realimentación en derivación y de realimentación proporcional. La ganancia con realimentación en derivación (paralela) es: −R2/R1 La ganancia con realimentación proporcional es: R2/(R1 + R2) Los amplificadores diferenciales de circuito integrado pueden tener una ga- nancia de CD en la región de 100 000. Hecho clave Principios de electricidad y de electrónica 352 Un punto importante a observar con este tipo de amplificador es que su ganancia es dependiente de la frecuencia. Desde luego, esto sólo es relevante al ampli ficar señales de CA. La figura 2.23 muestra la respuesta de frecuencia de un amplificador 741. Los amplificadores operacionales son bloques de construcción fundamentales de muchos tipos de circuito, y algunos de éstos se mencionarán brevemente más adelante en esta sección. R2 Resistor de realimentación R1 Ampli�cador operacional Realimentación Ampli�cador no inversor R1 R2 0 V 0 V –V +V +V –V Figura 2.22 Circuitos de realimentación del amplificador operacional. Ganancia 100000 10 000 1000 100 10 10 100 1000 10000 100000 Frecuencia en Hz Figura 2.23 Respuesta de frecuencia de un amplificador operacional 741. Hecho clave La ganancia del amplificador operacional es dependiente de la frecuencia. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil36 2 2.3.5 Circuitos de puente Hay muchos tipos de circuitos de puente, pero todos se basan en el principio del puente de Wheatstone, el cual se muestra en la figura 2.24. El medidor que se observa es un galvanómetro muy sensible. Un cálculo sencillo mostrará que el medidor leerá cero cuando: R1/R2 = R3/R4 Se utiliza un circuito de este tipo para medir con mucha precisión una resistencia desconocida (R1), los resistores R3 y R4 son de precisión preestablecida y R2 es una caja de resistencias de precisión. El medidor lee cero cuando la lectura en la caja de resistencias es igual a la resistencia desconocida. Este principio sencillo también se puede aplicar a los circuitos de CA para determinar la inductancia y capacitancia desconocidas. En la figura 2.25 se muestra un puente y circuito amplificador, que puede ser típico de una aplicación en vehículos de motor. En este circuito se ha reemplazado R1 por una resistencia térmica de medición de temperatura. Entonces la salida del puente se amplifica con un amplificador operacional diferencial que utiliza reali mentación en derivación para establecer la ganancia. 2.3.6 Disparador Schmitt El disparador Schmitt se utiliza para cambiar señales variables en señales del tipo de ondas cuadradas rizadas para su uso en circuitos digitales o de conmutación. Por Galvanómetro +V 0V R2 R1 R3 R4 Figura 2.24 Puente de Wheatstone. Ampli�cador operacional Resistencia térmica -tº Figura 2.25 Puente y circuito amplificador. Principios de electricidad y de electrónica 372 ejemplo, una onda sinuosa dentro de un disparador Schmitt emergerá como una onda cuadrada con la misma frecuencia que la señal de salida. La figura 2.26 mues tra un circuito sencillo de disparador Schmitt que utiliza un amplificador operacional. La salida de este circuito será positiva saturada o negativa saturada debido a la alta ganancia del amplificador. Los puntos de disparo se definen como puntos de disparo superior e inferior (UTP y LTP) respectivamente. La señal de salida proveniente de un distribuidor de tipo inductivo o de un sensor de posición de cigüeñal en un vehículo motorizado necesitará haber pasado a través de un dis parador Schmitt. Esto asegurará que sea más sencillo el proceso siguiente o que la conexión sea positiva. Los disparadores Schmitt se pueden obtener como cir cuitos integrados en sí o como parte de otras aplicaciones ya listas. 2.3.7 Temporizadores En su forma más sencilla, un temporizador puede constar de dos componentes,un resistor y un capacitador. Cuando se conecta el capacitador a un alimentador a través del resistor, se acepta que se cargará totalmente en 5CR segundos, donde R es el valor del resistor en ohms y C es el valor del condensador en farads. La constante de tiempo de este circuito es CR, normalmente indicada por una t. El voltaje que pasa a través del condensador (Vc) se puede calcular como sigue: Vc = V(I – e–t/CR) donde: V = voltaje suministrado; t = tiempo en segundos; C = valor del condensa dor en farads; R = valor del resistor en Ohms; e = función exponencial. Estos dos componentes con valores útiles se pueden hacer para dar casi cual quier retardo de tiempo, dentro de lo razonable, y para operar o desconectar un circuito utilizando un transistor. La figura 2.27 muestra un ejemplo de un circuito de temporizador que aplica esta técnica. 2.3.8 Filtros Un filtro que impide el paso de partículas grandes o contaminantes, por ejemplo, un inyector de combustible, es un concepto fácil de entender. En los circuitos Definición UTP y LTP: puntos de disparo superior e inferior. Figura 2.26 Circuito de disparador Schmitt que utiliza un amplificador operacional. Hecho clave Un disparador Schmitt se utiliza para cambiar señales variables en señales del tipo de ondas cuadradas rizadas. Sistemas eléctrico y electrónico del automóvil38 2
