Jorge Alberto Garbero
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Electrico Electromagnetico Neumatico Mecanico
Tipo: Apuntes
2015/2016
1 / 124
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RELAY o RELEVADOR
Como funcionan; como seleccionarlos de acuerdo a la función que deben cumplir
- ••• Básicamente un relay es un electroimán.
Consta de una bobina formada por un conductor de alambre de cobre arrollado sobre un núcleo cilíndrico ferro magnético de baja remanencia o sea no imanable. Frente a uno de los extremos del núcleo se dispone una armadura, que consiste en una pequeña platina de material ferro magnético no imanable. Esta platina puede pivotar sobre uno de sus lados y es mantenida en su posición de reposo por medio de un resorte de extensión calibrado. Solidario con esta platina pueden existir uno o más platinos de contacto, logrando según la combinación de contactos que se dispongan al fabricar el relay, sistemas de una vía (dos; tres; etc.) normalmente abiertos o cerrados, inversores o no.
Para realizar el análisis de funcionamiento de un relay utilizaremos un ejemplo real, para ello hemos tomado un ejemplar de una marca reconocida de plaza. Se trata de un relay de una vía, no inversor, especificado como 12 Volt / 10 Amper.
¿Que significa dicha especificación?
Nos esta informando el fabricante que la tensión (voltaje) de operación de la bobina del relay debe ser de 12 Volt y la intensidad máxima de corriente (amperaje) que pueden manejar los contactos de la llave que opera el mismo es de 10 Amper.
¿Para conectar la bobina del relay se debe respetar alguna polaridad?
No, en absoluto. La bobina no tiene polaridad, tanto es así que el relay también operaria si se aplicara a la bobina 12 Volt de Corriente Alternada.
- ••• En la figura siguiente se muestra la disposición de los pines de conexión en la base del relay y su circuito eléctrico equivalente:
y si queremos calcular el consumo de potencia de acuerdo a la citada ley:
W = V x I = 12 Volt x 0,179 Amper = 2,148 Watts
Este es el consumo real demandado a la fuente por el relay, la intensidad de corriente
circulante por sus contactos será un factor determinado por la carga alimentada, intensidad
que evidentemente no tiene nada que ver con la corriente de operación del relay.
Si por ejemplo la llave del relay conmutara una lámpara de 85watts, la intensidad de corriente
circulante por sus contactos seria:
I = W / V = 85 watt / 12 volt = 7,08 Amper
Se puntualiza este caso del consumo real del relay, debido a que a menudo se confunde con el
consumo del elemento conmutado por la llave del mismo.
- ••• En el voltímetro V 1 tendremos ahora una lectura de 12 Volt, puesto que está midiendo la tensión
de batería.
- ••• En el voltímetro V 2 leeremos 0 (cero) Volt, observemos que sus terminales están al mismo
potencial al estar cortocircuitados por S1.
En los dos casos anteriores hemos planteado el circuito conmutando su activación/desactivación por
negativo (masa), por medio de la llave S1. Es indudable que la misma operación se puede efectuar
por positivo, insertando en esa línea dicha llave.
- Relay de una vía inversor
Como se puede observar en las figuras precedentes, el circuito eléctrico de este relay es similar al
descripto en las páginas anteriores, con el simple agregado de un contacto extra (87a) con el que
cierra el circuito el contacto móvil cuando el relay no está activado (Fig.A).En ese caso si la llave
de luces S 2 se encuentra cerrada encenderá la lámpara 2.
En estas condiciones, cuando el relay es activado por el cierre de la llave S1, la armadura es atraída
por el campo magnético y el contacto móvil solidario con ella cerrará el circuito con el contacto 87,
apagándose la lámpara 2 y encendiéndose la 1 (Fig. B).
Tenemos así presentada una simple aplicación de un relay de una vía inversor, un sistema de
cambio de luces.
- Relay temporizado
Para describir el funcionamiento de este componente, tomaremos como ejemplo el Relay del Sistema de Inyección o Relay Principal utilizado por Ford y Volkswagen en varios de sus modelos, con Sistema de Inyección EEC-IV.
Este relay alimenta los siguientes componentes:
- Unidad de Comando CFI (ECU); (Bornes 37 y 57)
- Inyectores
- Válvula del filtro de carbón activado
- Relay de plena potencia del A/A
El relay se activa con la llave de contacto, en las posiciones de ignición y arranque (pin 15). Un diodo conectado en serie con el circuito entrada de + 12 V. desde la llave de contacto por el pin 15 del relay, no permite que este sea activado en el caso de inversión en la polaridad de conexión de la batería, previniendo así daños importantes en la ECU. Cuando se desconecta la llave de contacto, el circuito electrónico que se encuentra en el interior del relay y que maneja la bobina del mismo, lo mantiene activado por un período de tiempo de alrededor de 10 segundos, durante este período, la Unidad de Comando (ECU) que sigue siendo alimentada con + 12 V. por sus pines 37 y 57, acciona el motor del corrector de marcha lenta (motor paso a paso), provocando su apertura total y permitiendo también que se almacene en la memoria KAM de la misma el último valor de presión atmosférica indicada por el sensor de presión absoluta (MAP). Transcurrido el período de tiempo citado, el circuito electrónico desactivará el relay.
Es importante tener presente que los relays que alimentan las bombas de combustible no tienen nada que ver con estos relays. En ese caso los relays utilizados, no son temporizados, son relays comunes tal como los que se describió en las primeras páginas (relay de una vía no inversores). Su activación por breves segundos cuando se cierra la llave de contacto, es una estrategia que maneja exclusivamente la ECU, así como su activación durante la faz de arranque y funcionamiento del motor (acción comúnmente conocida como taquimétrica). En breves palabras, ellos no cuentan con ningún circuito electrónico incorporado, el circuito electrónico de mando se encuentra en la ECU.
Casos de sistemas de inyección electrónica que cuenten con relays temporizados para la bomba de combustible, es decir que tengan circuitos electrónicos incorporados en el relay. Es posible encontrarlos en modelos de vehículos de generaciones muy anteriores, por ejemplo Ford Galaxy y Volkswagen Gol equipados con Unidades de Comando LE-Jetronic/EZK. En este caso el relay no solo opera como relay temporizado ante la puesta en contacto accionando la bomba de combustible por unos segundos, sino que también opera como taquimétrico, funciones que actualmente como ya vimos cumple la Unidad de Comando.(ver Fig. siguiente)
Como podemos ver en el circuito precedente, este relay tiene incorporado en la caja que lo contiene un circuito electrónico complejo, veamos como opera.
- El pin 30 (contacto móvil del relay), está conectado en forma permanente a el ramal positivo (+ 12 V.) de la batería.
- El pin 15 recibe + 12 V. cuando se cierra la llave de contacto. En ese instante el circuito electrónico activará el relay por 2 o 3 segundos, durante ese lapso la llave del relay se mantendrá cerrada alimentando con + 12 V., a través del pin 87b, a la bomba y pre bomba de combustible y por el 87 a los inyectores (observar en el diagrama que los pines 87 y 87b están conectados al mismo contacto de la llave del relay). Transcurrido ese lapso, si no se activa el arranque, el circuito electrónico desactivará el relay.
- Llevando la llave a la posición de arranque, el circuito electrónico recibirá + 12 V. desde la llave de contacto por el pin 50 del relay, en esta condición el circuito activará a este, volviendo así a
recibir alimentación de + 12 V. las bombas y los inyectores acondicionando al sistema de inyección para que se produzca el arranque del motor.
- Una vez arrancado el motor, el circuito electrónico recibirá los pulsos generados en el negativo de la bobina de ignición a través del pin 1 del relay, señal que le servirá como referencia para mantener el relay activado.
Evidentemente en este sistema, por el modo de operación del relay, si en el circuito de encendido o en la bobina de ignición se produce algún tipo de falla que produzca la no generación de pulsos en el negativo de la bobina de ignición, el sistema no producirá encendido ni inyección puesto que se desactivará el relay por la falta de pulsos y los circuitos no serán alimentados con positivo de + 12 Volt.
¿Que función cumple el diodo que vemos en muchos relays colocado en paralelo con la bobina del mismo?
Normalmente estos casos se ven en los relays que son manejados por el computador de a bordo.
Generalmente los circuitos electrónicos internos de las ECU que manejan relays, operan a estos
cerrando el circuito de la bobina por negativo (masa). Estos circuitos no son más que una llave
electrónica que conecta y desconecta de negativo un extremo de la bobina, el otro extremo
indudablemente debe estar conectado al positivo de batería.
Vimos que cuando un relay está operado, circula a través de su bobina una corriente, esta corriente genera un campo magnético que es el que atrae a la armadura. Cuando la corriente es interrumpida por la apertura de la llave electrónica (desactivación del relay), el campo magnético desaparece retrayéndose rápidamente (normalmente se dice que colapsa). Las líneas de fuerza de dicho campo al retraerse, barren las espiras que conforman la bobina induciendo en ella una F.E.M. (Fuerza Electro Motriz), es decir, se produce un pico de tensión entre los extremos de la misma. Este pico en relays del tipo común, como los que hemos utilizado como ejemplo, pueden alcanzar niveles de 45 Volt o mayores, estos niveles de tensión pueden resultar perniciosos para los semiconductores (transistores) utilizados en las ECU como llaves para operar los relays o pueden propagarse hacia otros circuitos a través de la línea de positivo.
En la Figura A de la página siguiente se muestra este fenómeno, téngase en cuenta que en este ejemplo no se ha colocado diodo de protección en paralelo con la bobina del relay:
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DE IMÁN PERMANENTE
En el automotor, motores de corriente continua del tipo de “Imán Permanente” son utilizados en múltiples aplicaciones. Por ejemplo en electro ventiladores, en la operación del posicionamiento de asientos del conductor y acompañante, apertura y cierre de ventanillas, trabas de puertas, antenas de radio; lava parabrisas y limpia parabrisas, bombas eléctricas, dirección asistida y muchas otras aplicaciones más. Básicamente los motores de corriente continua usados en automoción son máquinas rotativas que convierten energía eléctrica en energía mecánica. Pueden ser de 1 velocidad, 2 velocidades o de velocidad variable y también pueden girar en el sentido de las agujas del reloj o en dirección contraria a la misma. Algunos motores son diseñados para desarrollar un gran torque por pequeños períodos, caso de los motores de arranque y otros se diseñan para trabajar a una determinada velocidad durante largos períodos, caso de los forzadores de aire hacia el habitáculo
En la figura se representa un motor elemental con estator de imán permanente. La armadura o rotor está formada por una bobina arrollada sobre un núcleo ferro magnético conformando un electro imán. Cada extremo de esta bobina está conectado a una lámina metálica llamada delga, conformando ambas el colector, las delgas están aisladas eléctricamente de toda parte metálica. Sobre ellas hacen contacto eléctrico dos escobillas, también conocidas como carbones y que también están aisladas eléctricamente. A través de las escobillas y las delgas, la bobina del rotor recibe alimentación de C.C. desde la batería. Todo el conjunto del rotor está montado sobre un eje axial que le permite girar libremente.
El principio de funcionamiento del motor se basa en la fuerza de atracción y de repulsión que se genera entre los polos de los campos magnéticos. Polos de igual nombre se rechazan, polos de distinto nombre se atraen Al cerrar el interruptor Sw, la bobina del rotor queda alimentada por la batería, polo positivo de esta a “Delga B” y polo negativo a la “Delga A”. Circula ahora corriente por la bobina de la armadura generando un campo magnético cuyos polos magnéticos Norte y Sur se muestran en la figura. Al quedar enfrentados el Polo Norte de la armadura con el Polo Norte del estator y el Polo Sur de la armadura con el Polo Sur del estator, se genera una fuerza de repulsión ente ellos que hace girar al rotor en la dirección graficada.
El sentido de rotación del motor se puede invertir fácilmente invirtiendo la conexión de la batería a la bobina de la armadura.
La velocidad de rotación de estos motores puede ser variada empleando distintas estrategias. Una muy utilizada en los electro ventiladores de enfriamiento del liquido refrigerante del motor, es la de colocar una resistencia en serie con la alimentación del motor para lograr que este gire aproximadamente a la mitad de las RPM máximas nominales. Cuando se necesita que el motor gire a las máximas RPM la resistencia es puenteada (Fig.1).
El rotor impulsado por la fuerza de repulsión enunciada esta girando y cuando alcanza la posición vertical, el Polo Norte de la armadura comienza a ser atraído por el Polo Sur del estator y el Polo Norte de este comienza a atraer el Polo Sur de la armadura, acción esta que facilita que el rotor siga girando. Cuando la armadura llega a la posición horizontal las escobillas ya no hacen contacto con las delgas, debido a que se están apoyando en la aislación dispuesta entre las mismas, por lo que la bobina queda sin alimentación y desaparece el campo magnético generado por la corriente que la recorre. El rotor por inercia sigue girando.
Ahora el polo positivo de la batería queda conectado a la “Delga A” y el polo negativo a la “Delga B”. Vuelve a circular corriente por la bobina de la armadura, pero en sentido contrario, el campo magnético generado por la bobina cambia su polaridad y vuelve a repetirse el proceso de repulsión y atracción entre los polos magnéticos de estator y armadura. Este proceso se repetirá indefinidamente hasta que se corte la alimentación del motor abriendo el interruptor Sw.
Una estrategia similar es utilizada en algunos modelos de automóviles de la marca SEAT, por ejemplo el modelo Ibiza - motor1.4i año 2000 – ECU Bosch MA 122. Las diferencias fundamentales con el sistema anterior radican en que la resistencia serie del motor se encuentra ubicada dentro de la carcasa del mismo, por lo que el motor tiene un conector de tres pines y que el sistema no utiliza relays, el motor es excitado por un control electrónico. Este control conoce la temperatura de motor a través de la información que le envía la ECU.
En turbinas forzadoras de aire frio o caliente para el interior del habitáculo se utiliza también resistencias en serie con el motor del forzador. Por medio de una llave conmutadora manual se posibilita seleccionar distintas velocidades del motor. En el esquema se muestra la disposición del circuito. Cuando con la llave se selecciona la velocidad Mínima, en serie con la bobina del motor queda insertada el total de la resistencia Rt = R1+ R2. Con la llave en la posición Media, en serie con el motor queda insertada la mitad de Rt por ser R1 = R2, el motor girara a una velocidad intermedia entre la Mínima y la Máxima. Al posicionar la llave en Máxima toda la tensión de la batería queda aplicada al motor y este girara al máximo de velocidad.
En el sistema visto anteriormente, en el que para lograr distintas velocidades en una turbina forzadora de aire se utiliza una llave que conmuta una serie de resistencias, tiene el inconveniente que los cambios de velocidad son por saltos y no se puede tener velocidades intermedias. En la figura se plantea un circuito electrónico simplificado de un control de velocidad continuamente variable desde una velocidad mínima a una máxima. El mando del control de velocidad sigue siendo manual y se realiza por medio de un potenciómetro de deslizamiento lineal montado en el tablero del automóvil. El transistor Tr actúa como una resistencia continuamente variable.
En las cuatro imágenes siguientes se muestra como el transistor regula la corriente circulante por la carga de acuerdo a la posición fijada en el potenciómetro (VR1) que polariza su base. El funcionamiento esta planteado en un laboratorio virtual y se reemplazo el motor por una lámpara incandescente para poder visualizar el efecto.
Si bien este sistema de control de velocidad es efectivo, su aplicación es aconsejable reducirla a motores de potencias pequeñas a medianas debido a que manejar corrientes importantes con transistores de potencia bipolares es riesgoso y además, al tener que montarlos sobre grandes disipadores de calor ocupan grandes espacios. En algunos vehículos están colocados de modo que el flujo de aire del forzador les ayude a disipar la temperatura.
En sistemas de enfriamiento del líquido refrigerante del motor que utilizan dos motores en lugar de uno, es bastante común que para lograr una velocidad lenta y otra máxima se haga trabajar a los dos motores en serie para lograr la velocidad baja y en paralelo para la velocidad alta (Fig.1/2/3).
Servo motor Un servo motor es un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ser controlado, tanto en su posición, como en su velocidad. Un motor de corriente continua se convierte en servo motor cuando se le acopla un sensor en la parte posterior, denominado “encoder”, que informa la posición del rotor o su velocidad o ambas variables. Un ejemplo de servo motor utilizado en el automóvil, es el que acciona la mariposa de aceleración del múltiple de admisión en los sistemas con acelerador electrónico. Esta compuesto por un motor de corriente continua que es el encargado de producir el movimiento. El eje del motor esta acoplado a un conjunto de engranajes reductores de velocidad y que a su vez aumentan mecánicamente el par motor entregado al eje de la mariposa. Este se encuentra acoplado a dos potenciómetros que informan al circuito de control, interno de la ECU, la posición de la mariposa. Esta es llevada a la posición de reposo mecánico por medio de un resorte antagónico helicoidal.
El control que realiza la ECU se basa en la técnica PWM trabajando en lazo cerrado. Ella excita al motor con pulsos de onda cuadrada de 12 Volt de amplitud de una determinada frecuencia fija y con un Duty Cycle proporcional a la posición requerida de la mariposa, los potenciómetros le informan de la posición adoptada por la mariposa, comparando las señales de activación con la información recibida desde los potenciómetros el circuito de control, si hay error, corrige la posición de la mariposa disminuyendo el tiempo del Duty Cycle o aumentándolo. Para lograr que el eje del motor se mantenga estable en una posición es necesario enviarle continuamente la señal de control con la posición deseada.
Los circuitos de PWM tienen la desventaja de que es posible que produzcan interferencias por irradiación de radio frecuencia (RFI). Estas irradiaciones se minimizan utilizando un filtrado especialmente diseñado en la fuente de alimentación y además se ubica el controlador cerca de la carga (motor) y se blindan los conductores de conexión que van del módulo de control al motor con una malla de blindaje conectada a masa. Los módulos de control se los monta normalmente en el bastidor que soporta el electro ventilador al radiador del refrigerante del motor.
En estos sistemas ya no es necesario tener un regulador de marcha lenta (ralentí del motor), el circuito de control se encarga de esta función regulando la abertura de la mariposa. Si el pedal del acelerador se mantiene fijo en un punto de su recorrido y se enciende el electro ventilador o el aire acondicionado, al demandar estos últimos potencia extra al motor del auto, este tendería a caer de vueltas, el circuito de control del servo motor resuelve esta situación aumentando el tiempo del Duty Cycle a pesar que no haya cambiado la posición del pedal del acelerador. Todo el sistema tiene una alta velocidad de reacción ante cualquier demanda.
MOTORES PASO A PASO
Tratar que los motores de Corriente Continua giren una cantidad determinada de vueltas (por ejemplo dos vueltas) y luego se detengan en ese punto es imposible. Los motores no giran instantáneamente al aplicarle la tensión de alimentación, demandan un tiempo de arranque, esto se debe a la inercia que no les permite alcanzar la velocidad normal de manera inmediata. Al cortarle la tensión de alimentación, continúan girando también por inercia.
Los denominados motores paso a paso (PaP), son un caso particular dentro de los motores eléctricos en general. Los motores paso a paso se basan en la atracción y repulsión entre polos magnéticos. Polos de distinto nombre se atraen, polos de igual nombre se rechazan. La alimentación eléctrica no es ni C.C. ni C.A. como en otros casos, sino un tren de pulsos que se suceden con una secuencia, previamente definida, a cada una de las bobinas que componen el estator. Cada vez que a alguna de estas bobinas se les aplica un pulso, el rotor se desplaza un paso , y queda fijo en esa posición. Dependiendo de las características constructivas del motor este paso puede producir un ángulo de giro del rotor de 0,9º a 90º. Por lo tanto, al ser posible mover el motor en pequeños pasos, esto permite controlar su posición , con mayor o menor precisión dependiendo de los grados de avance de cada paso. Además, variando la frecuencia con la que se aplican los pulsos, también variara la velocidad con que se mueve el rotor, lo que permite tener el control de velocidad del mismo. Por último si se invierte la secuencia de los pulsos de alimentación aplicados a las bobinas, se producirá la inversión del sentido de giro del rotor. Se define el motor paso a paso, como aquel motor cuyas bobinas del estator son alimentadas mediante trenes de pulsos, con una determinada frecuencia, y que permite:
◊ Controlar la posición del rotor. ◊ Controlar su velocidad de giro.
◊ Controlar su sentido de giro.
Al tener estas características se utilizan motores paso a paso en robótica, control de discos duros, flexibles, unidades de CDROM o de DVD, impresoras, movimiento y posicionamiento de herramientas y piezas en general. En el automóvil está muy difundido su uso en el control de marcha lenta (ralenti) del motor. Un inconveniente de los motores PaP es que presentan una velocidad angular limitada. Dicha limitación surge que para realizar un paso, el motor requiere un tiempo para alcanzar la posición de equilibrio. Si dicho tiempo no se respeta (esto ocurriría si la frecuencia de los pulsos es demasiado elevada) el motor puede no encontrar nunca esa posición de equilibrio y se pierde el control sobre él (se mueve en forma de vaivén, no se mueve, o incluso se mueve en sentido contrario al deseado).
TIPOS DE MOTORES PaP
Desde el punto de vista constructivo existen tres tipos de motores PaP:
- De imán permanente
- De reluctancia variable
- Híbridos
De imán permanente
El rotor está construido con imanes permanentes en forma de disco que proporcionan una polarización magnética constante. Tiene tallados un determinado número de dientes axialmente. El estator, con forma cilíndrica, está formado por distintas bobinas que al ser excitadas secuencialmente generan un campo magnético giratorio. Al cambiar el estado de las bobinas del estator, el rotor gira para orientar sus polos magnéticos de acuerdo con el campo magnético creado por las bobinas del estator.
De reluctancia variable En este tipo de PAP, el estator es similar al caso anterior. El rotor no es un imán permanente, sino que está formado por un núcleo de hierro dulce, e igualmente con dientes tallados a lo largo de su superficie. En este tipo de motor, al alimentar una de las bobinas del estator, se crea un campo magnético. En estas condiciones, el rotor se orienta hacia aquella posición en la que la reluctancia que presenta el circuito es mínima. Esta posición será aquella en la que el entrehierro es el más pequeño posible.
Al cambiar la alimentación a otra de las bobinas, el punto de mínima reluctancia también cambia, con lo cual el rotor gira de nuevo. Estos motores son muy difíciles de controlar. Si se gira el rotor manualmente, no se aprecia la sensación dentada que provocan los de imán permanente, sino que se mueve libremente como un motor de corriente continúa.
Híbridos : este tipo de motores son una combinación de los dos anteriores. El rotor está formado por una serie de anillos de acero dulce que tienen en su superficie un nº de dientes ligeramente distinto a los del estator. Dichos anillos están montados axialmente sobre un eje que es un imán permanente. Poseen alto par dinámico y estático. Pueden girar a muy elevadas RPM. Tienen gran aplicación en la industria.
MOTORES Paso a Paso de IMÁN PERMANENTE Nos centramos en este tipo de motores, ya que como se ha citado anteriormente son los más utilizados. Los motores de imán permanente pueden ser clasificados en función del sentido de la intensidad que recorre los bobinados en dos grupos:
Motores PaP bipolares Están formados por dos bobinas, y la intensidad que circula por ellas invierte su sentido sucesivamente (de ahí surge el nombre de bipolares). Se pueden reconocer externamente porque presentan cuatro conductores, uno para cada extremo de una bobina.
Motores PaP unipolares En este caso el estator está formado por dos bobinas con derivación central, lo que equivale a cuatro bobinas. Las derivaciones centrales de las dos bobinas pueden estar interconectadas en el interior o no. Externamente se apreciarán cinco conductores en el primer caso, y seis en el segundo. La forma de alimentar este motor consiste en alimentar con positivo la toma central e ir poniendo a masa, según una secuencia determinada a un extremo de la bobina y al otro (nunca simultáneamente). De tal manera que la intensidad que circula por cada media bobina siempre lo hace en el mismo sentido, por eso se denominan unipolares.