Sensores, Actuadores, Baterías, Osciloscopio, Buses de Datos, Alternador y Motor de Arranque en Vehículos

Sensores en el Automóvil

Los sensores son dispositivos que obtienen información al convertir una magnitud física en una señal eléctrica. Envían información a la Unidad de Control Electrónico (UCE).

• Activos: La magnitud física a detectar proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica.
• Pasivos: La magnitud física a detectar modifica los parámetros eléctricos característicos del sensor.

Tipos de Sensores

1. Sensor Inductivo

Se hace variar el flujo magnético para inducir corriente eléctrica en una bobina, moviendo un volante con dientes. Al acercarse el diente al imán, se incrementa la tensión inducida. Al alejarse, se induce tensión de signo contrario. Ejemplos: Transmisor de revoluciones, de posición de la corredera de regulación (TDI/SDI).

2. Sensor de Efecto Hall

Un semiconductor, al ser recorrido por una corriente y sometido a un campo magnético, genera una diferencia de tensión en sus extremos. Ejemplos: Regulación de posición de faros de xenón, detección del nivel del vehículo, detector de revoluciones y posición angular del cigüeñal.

3. Sensores de Temperatura

Varían la señal eléctrica al variar la temperatura. Ejemplos: Sensor de líquido refrigerante, temperatura de aceite, temperatura de aire aspirado.

• NTC (No Metal): Al aumentar la temperatura, disminuye su resistencia.
• PTC (Metálicos): Son muy sensibles. Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.

4. Sensores de Presión

• Piezo-sintéticos: Varían la resistencia con la presión. Ejemplos: Presión de combustible, presión de aceite.
• Piezo-eléctricos: Con altas presiones externas, aparece una diferencia de potencial en sus extremos. Ejemplos: Sensor de picado, sensor de impacto, presión de líquido.

5. Sensor Capacitivo

El dieléctrico es el elemento a medir (humedad, calidad del aire, aceite, etc.). Dependiendo del contenido químico del dieléctrico, se obtienen señales eléctricas de diferente frecuencia.

6. Sensores por Conductividad Eléctrica

Ejemplos: Posición de mariposa, posición de chapaletas, posición de caudalímetro, posición de trampilla A/A, posición de acelerador.

• Sensor de posición: Activados por el movimiento de una pieza o accionados por el conductor.
• Potenciómetro: Resistencia variable al desplazarse un cursor sobre una pista de resistencias.

7. Sensores de Ultrasonidos

• Sensores de distancia: Asistencia al aparcamiento, protección contra atropellos.
• Sensores volumétricos: Detectan intrusos en el habitáculo. Pueden basarse en ultrasonidos o en variación de presión. Diferencia con los de distancia: lóbulos más amplios.
• Sensores de caudal: Se mide el retraso que producen los torbellinos en el aire sobre una emisión de ultrasonidos.

8. Sensores Ópticos

Utilizan propiedades de emisión y recepción de luz para medir distintas variables.

• Fotorresistencias: Varían su resistencia al variar la luminosidad.
• Fotodiodos: Miden la radiación solar. Al aumentar ésta, incrementan el flujo de corriente. Ejemplo: Regulación de aire acondicionado.
• Fototransistores: Disminuye la resistencia al aumentar la iluminación.

9. Sensores de Radiofrecuencia

Transmiten y reciben a través de ondas de radio. Ejemplos: Sensores de presión de neumáticos, mando a distancia, comunicación por Bluetooth.

10. Cámaras

Las imágenes captadas se procesan. Elementos: óptica de enfoque, filtro de luz, CCD (dispositivo de carga acoplada), salida de imagen a la UCE. Ejemplos: Sistema de visión nocturna, reconocimiento de señales de tráfico, control de visión en cruces.

Actuadores en el Automóvil

Los actuadores son dispositivos que transforman la señal eléctrica generada en la UCE en otra forma de energía.

Tipos de Actuadores

1. Actuadores Electromagnéticos

Al recibir una corriente eléctrica, realizan un movimiento debido a la acción de un campo magnético.

• Actuador deslizante: Al alimentar con tensión los terminales de las bobinas, producen un campo magnético que desplaza un elemento abriendo un conducto. Ejemplos: Inyectores electromagnéticos y electroválvulas.
• Relé: Interruptor accionado por la acción de un campo magnético generado por una bobina. Ejemplos: Relé de bomba de combustible, de bocina, de cierre centralizado.

2. Motores Eléctricos

Generan movimiento de rotación aprovechando la fuerza de atracción y repulsión entre campos magnéticos.

Funcionamiento: Al circular corriente por un conductor, se crea un campo magnético. El conductor se coloca en el interior de un campo magnético fijo, y este trata de empujar al conductor fuera del mismo. El conductor es alimentado a través de escobillas que cambian la polaridad.

• Motores eléctricos de corriente continua de giro libre: Giran 360º. El campo magnético fijo puede ser:
  • De imanes permanentes: Al invertir la polaridad del inducido, se invierte el sentido de giro del motor (bloqueo de puerta, ajuste de retrovisores).
  • De bobinas inductoras: Si se invierte la polaridad de alimentación del motor, no se invierte su sentido de giro (bomba de combustible, bomba de líquido de frenos).
• Motores eléctricos de corriente continua de giro limitado: Son alimentados a través de impulsos. Al recibir tensión, giran un cierto ángulo dependiendo de la señal.
• Paso a paso: Controlan mecanismos de gran precisión. Tienen un motor con lóbulos y bobinas inductoras fijas. Están alimentados por impulsos. Ejemplos: Agujas del cuadro de instrumentos, actuador de ralentí, electroválvula de mariposa.

3. Piezoeléctricos Inversos

Al aplicar tensión, se deforma el elemento. Ejemplo: Inyectores diésel de alta presión.

4. Calefactores

Son resistencias calefactoras (efecto Joule). Ejemplos: Luneta térmica, asientos calefactables, espejos desempañables.

5. Avisadores Acústicos

Reciben una señal que provoca el movimiento de una membrana, generando ondas sonoras. La bobina se alimenta con corriente alterna. Ejemplos: Puertas abiertas, llave en contacto, cinturones desabrochados.

6. Pantallas

Son células emisoras de luz. Cada célula se llama píxel. Emiten luz en 3 colores RGB (rojo, verde, azul). Ejemplos: Pantalla multifuncional, cuadro de instrumentos, pantallas posteriores.

Batería del Automóvil

La batería es un componente físico-químico capaz de recibir energía eléctrica del exterior, transformarla en energía química, almacenarla y cederla nuevamente al exterior en forma de energía eléctrica cuando es solicitada durante el proceso de descarga. Requisitos:

• Suministro de intensidad elevada.
• Resistencia mecánica a los golpes y vibraciones.
• Funcionamiento en un rango de temperatura entre –25°C y +55°C.

1. Características de la Batería

• Capacidad (A.h): Es la carga eléctrica que proporciona la batería.
• Intensidad de arranque (A): Potencia que suministra en el momento de arranque.
• Tensión: Es la fuerza electromotriz que proporciona la batería. En reposo: 12V. En carga: Ve = 12 – (I.Ri). Ri (Resistencia interna): Cuando está cargada < 0.4 ohmios, y descargada > 0.4 ohmios.

2. Asociaciones de Baterías

• Conexión en paralelo: Tienen que tener el mismo voltaje y la misma Ri. Pueden tener distinta intensidad. Se suma la intensidad y la capacidad.
• Conexión en serie: Tienen que tener la misma intensidad. Pueden tener diferente voltaje. Se suma el voltaje. La capacidad e intensidad son iguales a la de una sola batería.

3. Tipos de Baterías

• Sin electrolito:
  • Gel: Se les añade silicona.
  • AGM: Sobre fibra de vidrio.
• Convencionales (con electrolito líquido): No pueden estar en el interior del vehículo.

Ventajas de las baterías sin electrolito: Permiten carga rápida, aumenta la vida útil, se pueden colocar en varias posiciones, los gases que se producen se recirculan en la batería.

4. Comprobación de la Batería

• Mediante densímetro (para las convencionales).
• Mediante comprobador (mide una descarga violenta). Lleva asociado un voltímetro, mide la tensión entre bornes e indica la carga de la batería.

5. Proceso de Carga de la Batería

• Aparato rectificador de corriente: A 220V carga y da 6V, 12V, 24V.
• Autocarga: Limpiar los bornes. Observar el nivel de electrolito.

6. Durante el Proceso de Carga

• Regular la intensidad de carga:
  • 10% de la capacidad cuando carga en 10 horas.
  • 5% de la capacidad cuando carga en 20 horas (carga ideal).
• Revisar el amperímetro regularmente.

7. Indicación de Batería Bien Cargada

• Desprendimiento de gas en todos los vasos (está hirviendo).
• Tensión entre bornes de más de 15.6V a 25ºC. Lo debe mantener durante 2 horas.
• Medir la densidad en cada vaso (de 1.275 a 1.285).

8. Tecnologías Actuales en Baterías

• Se localizan en el habitáculo.
• Centralita de gestión de consumo:
  • Controla el estado de la batería.
  • Gestiona la energía de carga; regula el rotor del alternador.
  • Regula los consumidores de forma selectiva.
  • Mide intensidad, tensión y temperatura de la batería.
• Posibilidades cuando se tienen dos baterías:
  • 1ª posibilidad: Una batería para el funcionamiento y otra para el arranque.
    • Existe un relé que permite conectarlas en paralelo.
    • Con el alternador en marcha, cargan las 2 baterías en paralelo.
  • 2ª posibilidad: Una batería para el uso normal y otra como auxiliar.
    • Para ambulancias, autocaravanas.
    • Con el motor parado, la auxiliar es la que alimenta.
    • Tiene un dispositivo para conectarlas en paralelo.
• Fusible pirotécnico en el borne +:
  • En baterías AGM.
  • Medida de seguridad pasiva controlada por la centralita de Airbag.
  • Detecta choque frontal.
  • Desconecta el borne positivo.
• Control de cableado:
  • Lleva un sensor de temperatura. Si existe riesgo de cortocircuito, la centralita desactiva el borne +.
  • Son cables de aluminio, separados de los de cobre.

Osciloscopio

El osciloscopio es un instrumento de medición capaz de representar gráficamente las variaciones de tensión existentes entre dos puntos de un circuito eléctrico.

1. Formas de Ondas

• Senoidal
• En dientes de sierra
• Cuadrada
• Pulso
• Senoidal amortiguada
• Triangular
• Escalón
• Forma compleja

2. Impulsos (Pulsos)

Tienen características de corriente continua y alterna. Las utilizan las centralitas para gestionar actuadores. El control se hace:

A) Enviando impulsos y variando la frecuencia. *Donde antes hacía 2 impulsos, ahora hace tres.

B) Manteniendo la frecuencia constante y variando el ancho de pulso. *Tiene el mismo número de ciclos en la misma frecuencia, solo cambia el tamaño de los impulsos.

3. Porcentaje Dwell (Porcentaje de Duración del Impulso Cuando Está Activado)

Duración del periodo activo / Duración del ciclo x 100 = %

4. Representación en el Osciloscopio

• Eje vertical (tensión): Valor de la escala. Amplitud (tensión entre pico-pico). Voltaje.
• Eje horizontal (tiempo): Escala. Periodo (lo que tarda entre ciclo y ciclo). Frecuencia (nº de ciclos por segundo).

*Ciclo: es la forma que tiene el impulso.

RCA: Relación de ciclo de apertura.

PWM: Modulación de ancho de pulso.

Buses de Datos

Los buses de datos son líneas de comunicación mediante las cuales se puede intercambiar información de forma bidireccional entre diferentes unidades de control del vehículo.

Ventajas: Gran disminución del volumen del cableado, se reduce la complejidad en el conexionado, el tamaño de los conectores y el peso del vehículo. Aumenta el volumen de la información, la velocidad y la seguridad en la comunicación.

Están formados por: centralita, actuadores, sensores y el cableado.

El fabricante elige un tipo de red dependiendo de: La seguridad que requiere el sistema, la velocidad de transmisión de datos requerida y el coste de la red.

1. Tipos de Conexiones entre Centralitas

• En anillo: Una a continuación de otra. Si se estropea una, dejan de funcionar las demás. Ejemplo: MOST.
• En estrella: Una centralita principal, y las demás unidas a ella. Si falla la principal, falla toda la red. Ejemplo: LIN.
• En tipo BUS: Todas las centralitas están conectadas a través de un bus de datos (CAN o VAN).

2. Tipos de Centralitas

• Centralita maestra: Es la encargada de pedir y recibir la información que proporcionan las unidades esclavas.
• Centralitas esclavas: Conectadas a la maestra, envían información o realizan alguna función cuando se lo solicita la maestra.
• Centralita Gateway (puerta de enlace): Actúa de conversora de información de los distintos tipos de información proporcionada por las distintas redes de comunicación.

3. Multiplexado

Sistema de comunicación entre UCE, los elementos conectados comparten la misma línea.

• CAN HS: 500 kbps – 1 Mbps. Transmite cada 7-20 ms. Para tracción.
• CAN LS: 250 kbps. Transmite cada 20 ms. Para tracción.
• Confort: 100 kbps. Transmite cada 20 ms. Alumbrado, limpiaparabrisas, elevalunas.
• Línea K: 10-500 Kbps. Las 3 anteriores son para UCEs maestras.
• VAN:
  • Confort: 125 kbps.
  • Carrocería: 50 o 62 kbps.
• LIN:
  • Lento: 2.4 kbps.
  • Medio: 9.6 kbps.
  • Rápido: 20 kbps.
• MOST: 20 Mbps. Fibra óptica. Audio y navegación.
• FlexRay: 10 Mbps. Transmite cada 2.5 ms. Cable eléctrico.

Alternador

El alternador suministra energía eléctrica para la alimentación de los receptores del vehículo y también para recargar la batería.

Ventajas: Velocidad máxima más elevada, menos mantenimiento, desgaste y mayor duración. Gran fiabilidad. Mejor relación potencia/peso.

Como la corriente solo se puede almacenar en continua, hay que convertir la corriente alterna del alternador en continua; y para ello se utilizan diodos, que rectifican la corriente eliminando la onda negativa.

1. Elementos del Alternador

• El inductor o estator: Pieza fija de la máquina. Dispone de las dos polaridades de un imán, que producen un campo magnético.
• El inducido o rotor: Pieza que gira de la máquina. Sobre el rotor se arrollan las espiras de un conductor eléctrico donde se induce la corriente.
• El colector de anillos: Formado por dos anillos de material conductor que giran junto al rotor. El colector está en contacto con dos escobillas de carbón.

2. Utilización de Diodos (Semiconductores)

Se utilizan diodos para rectificar las ondas. Solo dejan pasar intensidad de ánodo a cátodo. Id = Intensidad de ánodo a cátodo. Vd = Caída de tensión (cátodo a ánodo).

DIODO ZENER: Diodo que, a partir de un cierto valor de tensión (Zener), deja pasar la corriente en sentido inverso.

3. Alternador Monofásico (Una Sola Bobina)

Se utiliza un solo diodo para la rectificación de media onda. Solo utilizan la señal positiva. Se utilizan varios diodos para la rectificación de onda completa. Rectifican la señal negativa para convertirla en positiva.

4. Alternador Trifásico (Tres Bobinas)

Se utilizan tres bobinas y 6 diodos. Con un sistema de este tipo se podrán obtener tres corrientes alternas al mismo tiempo, perfectamente iguales pero desfasadas con un retraso.

5. Características Eléctricas del Alternador

Tensión eficaz: Es la tensión utilizable. Sería semejante a la generada en continua. Se obtiene a la salida de las fases, antes de rectificar. Con ella se calcula la potencia eléctrica generada.

Veficaz = E x 0.707

Motor de Arranque

El motor de arranque es el elemento encargado de la puesta en marcha del motor térmico. Transforma la energía eléctrica proveniente de la batería en un movimiento mecánico.

1. Componentes del Motor de Arranque

• La batería (tensión, corriente y capacidad adecuadas).
• El grupo motor que realiza la puesta en marcha.
• Los cables de conexión de la batería al motor de arranque.

2. Características del Motor de Arranque

• Par motor: Es el par necesario para poner en marcha los motores de combustión interna.
• Par de arranque: Este par se transmite al motor de combustión en el momento en que es alimentado por corriente.
• Consumo de corriente: Es la corriente que el motor consume de la batería.
• Tensión de alimentación: La tensión de alimentación es de 12V.
• Velocidad necesaria para el arranque: Es la velocidad que el motor eléctrico suministra al motor térmico para su puesta en marcha.
• Duración de arranque: Es el tiempo que el motor de arranque utiliza para poner en marcha el motor térmico.

3. Estructura del Motor de Arranque

Está constituido fundamentalmente por:

• Motor eléctrico de corriente continua.
• El reductor: Dispositivo que permite incrementar el par suministrado al piñón. Puede ser coaxial o de ejes paralelos.
• Interruptor de acoplamiento: Combinación de un imán de acoplamiento y un relé. Tiene una doble función:
  • Traslación del piñón para el acoplamiento en la corona dentada del volante motor.
  • Cierre del contacto móvil en los contactos fijos, que permiten el paso de intensidad desde la batería al motor eléctrico.
• Grupo de acoplamiento: Permite transmitir el par motriz del motor de arranque al árbol del motor térmico.