ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE LATACUNGA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRÓNICA PARA MÓDULOS DE CONTROL ELECTRÓNICO (ECM) PARA MOTORES DIESEL CUMMINS CON LAS ESPECIFICACIONES N14”. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ ZAPATA VACA ALEX MAURICIO Latacunga, Marzo del 2009 I ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD Yo: ZAPATA VACA ALEX MAURICIO DECLARO QUE: El proyecto de grado titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRONICA PARA ECM EN MOTORES DIESEL CUMMINS CON LAS ESPECIFICACIONES N14” ha sido desarrollado con base a una investigación exhaustiva, respetando derechos intelectuales de terceros, conforme las citas que constan al pie de las páginas correspondientes, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía. Consecuentemente este trabajo es de mí autoría. En virtud de esta declaración, me responsabilizo del contenido, veracidad y alcance científico del proyecto de grado en mención. Latacunga, Marzo del 2009. ZAPATA VACA ALEX MAURICIO CI. No. 171597502-3 II ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ AUTORIZACIÓN Yo: ZAPATA VACA ALEX MAURICIO Autorizo a la Escuela Politécnica del Ejército la publicación, en la Biblioteca Virtual de la Institución del trabajo “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRONICA PARA ECM EN MOTORES DIESEL CUMMINS CON LAS ESPECIFICACIONES N14”cuyo contenido, ideas y criterios son de mi exclusiva responsabilidad y autoría. Latacunga, Marzo del 2009. ZAPATA VACA ALEX MAURICIO CI. No. 171597502-3 III ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ CERTIFICADO ING. ESTEBAN LÒPEZ (DIRECTOR) ING. JULIO ACOSTA (CODIRECTOR) CERTIFICAN: Que el trabajo “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRONICA PARA ECM EN MOTORES DIESEL CUMMINS CON LAS ESPECIFICACIONES N14” realizado por el señor: ZAPATA VACA ALEX MAURICIO ha sido guiado y revisado periódicamente y cumple normas estatutarias establecidas por la ESPE, en el Reglamento de Estudiantes de la Escuela Politécnica del Ejército. Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que coadyuvará a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, SI recomiendan su publicación. El mencionado trabajo consta de UN empastado y UN disco compacto el cual contiene los archivos en formato portátil de Acrobat. Autorizan al señor: ZAPATA VACA ALEX MAURICIO que lo entregue al ING. JUAN CASTRO, en su calidad de Coordinador de Carrera. Latacunga, Marzo del 2009. Ing. Esteban López Ing. Julio Acosta DIRECTOR CODIRECTOR IV CERTIFICACIÓN Se certifica que el presente trabajo fue desarrollado por Alex Mauricio Zapata Vaca, bajo nuestra supervisión. ING. ESTEBAN LÓPEZ DIRECTOR DE PROYECTO ING. JULIO ACOSTA CODIRECTOR DE PROYECTO V AGRADECIMIENTO Doy mi mas sincero agradecimiento a Dios, que ha sido mi guía en todo momento, ya que con ayuda de él me ha llevado a consolidar mis metas y todos los anhelos de mi vida. De la misma forma Dios me ha dado la oportunidad de tener a mi lado personas tan especiales como mis padres, mi hermano y toda mi familia quienes han sido pilares fundamentales de amor, responsabilidad, apoyo, y comprensión. Agradezco a mis amigos con los cuales compartimos buenos momentos, logros y derrotas a lo largo de mi vida universitaria. Alex Zapata V. VI DEDICATORIA Al culminar una etapa mas de mi vida académica, dedico este trabajo a mis padres que con su esfuerzo, apoyo, sacrificio y confianza he podido alcanzar esta menta. Por ser un ejemplo de vida, por dejar todo por el cumplimiento de mis metas y por ser la familia ejemplar, es para Ustedes este proyecto, sacrificio suyo y mío diariamente. También quiero dedicar este proyecto a la memoria de mi abuelito Hugo Zapata y mi tío Marcelo Vaca, ya que estoy seguro que desde el cielo contribuyen al desarrollo de mi vida. Alex Zapata V. VII ÍNDICE DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD ........................................................ II AUTORIZACIÓN ............................................................................................... III CERTIFICADO ................................................................................................. IV CERTIFICACIÓN .............................................................................................. V AGRADECIMIENTO ........................................................................................ VI DEDICATORIA ............................................................................................... VII ÍNDICE ........................................................................................................... VIII ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................... IX ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................... XXI RESUMEN ......................................................................................................... 1 PRESENTACIÓN ............................................................................................... 2 CAPÍTULO I ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS UTILIZADOS EN MOTORES DIESEL. 1.1. GENERALIDADES .................................................................................. 3 1.2. INTRODUCCIÓN A LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS – ELECTRÓNICOS ............................................................................................... 4 1.2.1 ELEMENTOS PASIVOS ........................................................................... 4 1.2.1.1 RESISTENCIAS .................................................................................. 4 1.2.1.2 TERMISTORES .............................................................................. 11 1.2.1.3 CAPACITORES ............................................................................... 14 1.2.1.3.1 CAPACITORES DE CERÁMICA ............................................... 16 1.2.1.3.2 CAPACITORES DE PLÁSTICO ................................................. 19 1.2.1.3.3 CAPACITORES DE MICA ......................................................... 21 1.2.1.3.4 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS .......................................... 21 1.2.1.3.5 CAPACITORES DE TANTALIO ................................................. 22 VIII 1.2.1.3.6 SELECCIONES DE CAPACITORES ......................................... 22 1.2.1.3.7 CAPACITORES PARA CIRCUITOS INTEGRADOS .................. 23 1.2.1.4 INDUCTORES ................................................................................ 24 1.2.1.4.1 BOBINAS: INDUCTORES EN SERIO Y PARALELO ................ 25 1.2.1.4.2 INDUCTORES PARA APLICACIONES EN CIRCUITOS INTEGRADOS ........................................................................................... 26 1.2.1.5 TRANSFORMADORES .................................................................. 26 1.2.1.5.1 TRANSFORMADORES DE POTENCIA .................................... 27 1.2.1.6 RELÉS ............................................................................................ 29 1.2.2 ELEMENTOS ACTIVOS .................................................................... 31 1.2.2.1 DIODOS DE UNIÓN PN ................................................................. 31 1.2.2.1.1 TIPOS DE DIODOS ................................................................... 32 1.2.2.1.2 APLICACIONES ........................................................................ 33 1.2.2.2 RECTIFICADORES ........................................................................ 33 1.2.2.3 TRANSISTORES ............................................................................ 34 1.2.2.3.1 CARACTERISTICAS DEL TRANSISTOR REAL ....................... 35 1.2.2.3.2 TIPOS DE TRANSISTORES DE POTENCIA ............................ 35 1.2.2.3.2.1 TRANSISTORES BJT ........................................................ 35 1.2.2.3.2.2 TRANSISTORES FET (JFET) ............................................ 37 1.2.2.3.2.3 TRANSISTORES DARLINTON .......................................... 39 1.2.2.3.2.4 TRANSISTORES MOSFET ................................................ 41 1.2.2.4 CIRCUITOS INTEGRADOS ........................................................... 42 1.2.2.4.1 FAMILIAS BIPOLARES ............................................................. 43 1.2.2.4.2 FAMILIAS MOS ......................................................................... 43 1.2.2.4.3 ELABORACIÓN DE LAS TABLETAS ........................................ 44 1.2.2.4.4 FABRICACIÓN DE CIRCUITOS BIPOLARES ........................... 44 1.2.2.4.5 LÓGICA TRANSISTOR - TRANSISTOR ................................... 43 1.2.2.4.6 CIRCUITOS INTEGRADOS HIBRIDOS .................................... 43 1.2.2.4.7 METODOS DE INTERCONEXIÓN ............................................ 43 1.2.3 GENERADORES DE ONDAS ........................................................... 47 1.2.3.1 OSCILADORES .............................................................................. 47 1.2.3.1.1 TIPOS DE OSCILADORES ....................................................... 48 1.2.3.1.2 ESTABILIDAD DE LOS OSCILADORES ................................... 49 1.2.3.2 GENERADORES DE ONDAS CUADRADAS ................................. 49 1.2.3.3 GENERADORES DE PULSOS....................................................... 50 1.2.4 ELECTRÓNICA DE MÓDULOS ........................................................ 50 1.2.4.1 GENERALIDADES ......................................................................... 50 1.2.4.2 ANÁLISIS DE LAS FUNCIONES BÁSICAS .................................... 51 1.2.4.3 PARTES DE UN MÓDULO ELECTRÓNICO DE CONTROL .......... 52 IX 1.2.4.4 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN O FUENTE .................................. 52 1.2.4.5 CIRCUITO DE CONTROL .............................................................. 53 1.2.4.6 PROCESAMIENTO DE DATOS ..................................................... 55 1.2.5 FUNCIONES DIGITALES .................................................................. 56 1.2.5.1 TEMPORIZADOR ........................................................................... 56 1.2.5.2 MEDICIONES ANALÓGICAS ......................................................... 57 1.2.5.3 MEDICIONES DIGITALES ............................................................. 57 1.2.5.4 MEDICIONES DIGITALES DIRECTAS ........................................... 59 1.2.5.5 CONTEO DE PULSOS ................................................................... 60 CAPÍTULO II CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA ECM. 2.1 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE INYECCIÓN DIESEL .................... 64 2.1.1 MÓTOR DIESEL............................................................................. 64 2.1.2 CUMMINS ...................................................................................... 64 2.1.3 MOTOR CUMMINS N14 ................................................................. 65 2.2. CLASIFICACIÓN GENERAL ................................................................ 66 2.2.1 MEDIANTE BOMBA DE INYECCIÓN ............................................. 66 2.2.2 SISTEMA INYECTOR BOMBA ....................................................... 69 2.2.3 SISTEMA COMMON RAIL ............................................................. 69 2.2.4 SISTEMA DE INYECCIÓN UTILIZADO EN EL MOTOR CUMMINS N14 ........................................................................... 70 2.2.5 SEÑALES BASE ............................................................................ 71 2.3. COMPUTADORES AUTOMOTRICES .................................................. 72 2.4. SISTEMAS ON-BOARD ........................................................................ 74 2.4.1. OBD I .............................................................................................. 74 2.4.2. OBD II ............................................................................................. 75 2.4.3. OBD III ............................................................................................ 84 2.5. MEMORIAS ........................................................................................... 86 2.5.1. CARACTERISTICAS DE LAS MEMORIAS DE SEMICONDUCTORES ................................................................... 86 2.6. TIPOS DE MEMORIA ............................................................................ 87 2.6.1. MEMORIAS TIPO DIL .................................................................... 87 2.6.2. MEMORIAS TIPO PLCC ................................................................ 88 2.6.3. MEMORIAS TIPO SOP .................................................................. 89 X 2.7. MEMORIA ROM .................................................................................... 89 2.7.1. TIPOS DE ROMS ........................................................................... 90 2.8. MEMORIA RAM .................................................................................... 92 2.8.1. TIPOS DE RAM .............................................................................. 93 2.9. RELOJ (CLOCK) ................................................................................... 93 2.10. CAN BUS .............................................................................................. 94 2.10.1. COMO FUNCIONA EL SISTEMA BUS CAN .................................. 94 2.10.2. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL PROTOCOLO CAN. ..... 97 2.10.3. FORMATOS DE LOS MENSAJES ................................................. 98 2.10.4. PATRONES EXISTENTES. ............................................................ 99 2.10.5. DETECCIÓN DE FALLAS ............................................................ 100 2.10.6. COMPONENTES DEL BUS CAN. ................................................ 104 2.10.6.1 CABLES .................................................................................. 104 2.10.6.2 ELEMENTOS DE CIERRE O TERMINADORES ..................... 105 2.10.6.3 CONTROLADORES ................................................................ 105 2.10.6.4 TRANSMISOR / RECEPTOR .................................................. 106 2.10.7. DESARROLLO DE UN CICLO DE TRANSMISIÓN DE DATOS ... 107 2.10.8. DATAGRAMA ............................................................................... 108 2.10.8.1 CAMPOS DE DATAGRAMA .................................................... 109 2.10.9. COMO ES EL MENSAJE .............................................................. 110 2.10.9.1 ESTRUCTURA DEL MENSAJE ESTANDAR .......................... 111 2.10.10. GENERACIÓN DE PROTOCOLO DE DATOS ............................. 113 2.10.11. ADJUDICACIÓN DE PROPIEDADES EN EL CAN BUS DE DATOS ....................................................................................... 114 2.10.12. CAN BUS DEL ÁREA DE TRACCIÓN .......................................... 116 2.10.13. CAN BUS DEL ÁREA DE CONFORT ........................................... 118 2.10.14. CAN BUS DEL ÁREA DE DISPLAY ............................................. 119 2.10.15. DIAGNÓSTICO DEL CAN BUS ................................................... 122 CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRÓNICA. 3.1. CARACTERÌSTICAS DEL SISTEMA .................................................. 124 3.2. SEÑALES A COMPROBAR................................................................ 125 3.3. PARÀMETROS CONSIDERADOS PARA LA CONSTRUCCIÒN DEL SIMULADOR ............................................................................... 126 XI 3.3.1. SENSOR DE PRESION DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN MAP..... 126 3.3.1.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR MAP .......................... 129 3.3.2. SENSORDE TEMPERATURA DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN IAT ................................................................................................ 130 3.3.2.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR IAT ............................. 132 3.3.3. SENSOR DE POSICIÓN DEL MOTOR EPS ................................ 132 3.3.3.1 GENERACIÓN DE ONDA DEL SENSOR EPS .......................... 134 3.3.3.2 PASOS PARA EL PROCESO DE COPIADO DELA SEÑAL . DEL SENSOR EPS ................................................................... 135 3.3.4. SENSOR DE TEMPERATURA DEL REFRIGERANTE WTS ....... 136 3.3.4.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR WTS .......................... 138 3.3.5. SENSOR DE TEMPERATURA DEL ACEITE DEL MOTOR OTS . 138 3.3.5.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR OTS ........................... 140 3.3.6. SENSOR DE PRESION DEL ACEITE DEL MOTOR OPS............ 141 3.3.6.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR OPS ........................... 142 3.3.7. INYECTORES .............................................................................. 142 3.3.8. SOLENOIDE DE CIERRE DE COMBUSTIBLE ............................ 144 3.3.8.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL ACTUADOR SOLENOIDE DE ………...CIERRE DE COMBUSTIBLE ..................................................... 145 3.3.9. SENSOR DE POSICIÓN DEL ACELERADOR TPS ..................... 146 3.3.9.1 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR TPS ........................... 147 3.3.10. INTERRUPTOR DE VALIDACIÓN DE MARCHA EN VACÍO IVS . 148 3.3.10.1 DISEÑO DEL INTERRUPTOR DE VALIDACIÓN DE …………. MARCHA EN VACÍO IVS ........................................................ 149 3.4. DISEÑO DE LA TARJETA DE CONTROL.......................................... 150 3.5. MONTAJE Y ACOPLAMIENTO DE ELEMENTOS ELÉCTRICOS – ELECTRÒNICOS ........................................................................................... 152 3.6. CONEXIONES AL TABLERO DE INSTRUMENTACIÓN .................... 153 3.7. ANÁLISIS DE LA ECM ....................................................................... 154 CAPÍTULO IV PROCEDIMIENTOS Y PRUEBAS DEL EQUIPO. 4.1. PROCEDIMIENTOS ............................................................................ 157 4.2. PRUEBAS ........................................................................................... 158 XII CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 5.1. CONCLUSIONES ................................................................................ 180 5.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 181 CAPÍTULO VI BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................. 183 CAPÍTULO VII ANEXOS XIII ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO I ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS UTILIZADOS EN MOTORES DIESEL 1.1 RESISTENCIA DE CARBONO DE 0.25 A 4W .......................................... 4 1.2 RESISTENCIA BOBINADA CEMENTADA DE 2 A 15W .......................... 4 1.3 RESISTENCIA BOBINADA DE GRAN POTENCIA 10W EN ADELANTE .................................................................................................... 4 1.4 RESISTENCIA VARIABLES ..................................................................... 6 1.5 RESISTENCIA SMD A) RESISTENCIA DE TOLERANCIA 5 B) RESISTENCIA DE TOLERANCIA 1% ............................................................ 9 1.6 TERMISTORES: A) NTC TIPO DISCO; B) NTC TIPO CILÍNDRICO; C) PTC TIPO DISCO; D) PTC TIPO TORNILLO ........................................... 13 1.7 CAPACITOR ........................................................................................... 15 1.8 CAPACITOR ELECTROLÍTICO .............................................................. 21 1.9 CAPACITOR DE TANTALIO .................................................................. 22 1.10 DIAGRAMA EN SERIE DE BOBINAS .................................................. 25 1.11 DIAGRAMA EN PARALELO DE BOBINAS ......................................... 25 1.12 ESTRUCTURA DE UN RELÉ................................................................ 30 1.13 SÍMBOLO DEL DIODO ......................................................................... 33 1.14 CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO RECTIFICADOR ............. 34 1.15 TRANSISTOR BJT ................................................................................ 36 1.16 REGIONES DE OPERACIÓN DEL BJT. ............................................... 37 1.17 ZONA DE FUNCIONAMIENTO DE JFET.............................................. 38 1.18 TRANSISTOR JFET .............................................................................. 38 1.19 TRANSISTOR DARLINGTON CON LA IDENTIFICACIÓN DE LAS PATILLAS Y SU ESTRUCTURA INTERNA .................................................. 40 1.20 TIPO DE ENCAPSULADO DE UN TRANSISTOR DARLINGTON ...... 40 1.21 TRANSISTOR MOSFET ........................................................................ 41 XIV 1.22 CIRCUITO INTEGRADO ....................................................................... 43 1.23 GRÁFICO COMPARATIVO LÓGICA TRANSISTOR ............................ 45 1.24 CONSTRUCCIÓN HÍBRIDA DE PELÍCULA DELGADA ....................... 46 1.25 GENERADOR DE ONDAS CUADRADAS DIAGRAMA DEL CIRCUITO / FORMA DE ONDA DE SALIDA ................................................ 49 1.26 GENERADOR DE PULSOS .................................................................. 50 1.27 FUENTE ECM CUMMINS ..................................................................... 53 1.28 CIRCUITO DE CONTROL ECM CUMMINS .......................................... 54 1.29 PROCESAMIENTO DE DATOS ECM CUMMINS ................................. 55 1.30 CIRCUITO INTEGRADO 555 ................................................................ 60 1.31 ARQUITECTURA INTERNA DEL CI 555 .............................................. 61 1.32 OPERACIÓN MONOESTABLE DEL CI 555 ......................................... 62 1.33 OPERACIÓN ASTABLE DEL CI 555 ................................................... 63 CAPÍTULO II CARACTERISTICAS OPERATIVAS DE LA ECM 2.1 MOTOR CUMMINS N14 ......................................................................... 65 2.2 BOMBA DE INYECCIÓN EN LÍNEA BOSCH, VDT – U 2/604 BR. ......... 66 2.3 BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA BOSCH, VE. ................................ 67 2.4 BOMBA DE INYECCIÓN INDIVIDUALES............................................... 68 2.5 INYECTOR BOMBA BOSCH IB. ............................................................ 69 2.6 COMMON RAIL ...................................................................................... 70 2.7 SISTEMA DE INYECCIÓN CUMMINS N14 ............................................. 71 2.8 ECM CUMMINS-CELECT ....................................................................... 73 2.9 PRO-LINK HEAVY DUTY OBD I ............................................................. 75 2.10 CONECTOR DE DIAGNÓSTICO OBD II .............................................. 78 2.11 CONECTOR DEUTSCH J1587 ............................................................. 79 2.12 CONECTOR DEUTSCH J1939 ............................................................. 80 XV 2.13 INLINE 5 Y INSITE DE CUMMINS ........................................................ 84 2.14 MEMORIA TIPO DIL ............................................................................. 87 2.15 MEMORIA TIPO PLCC ......................................................................... 88 2.16 MEMORIA TIPO SOP............................................................................ 89 2.17 DIAGRAMA DE BLOQUES EN ROM ................................................... 90 2.18 ESQUEMA BÁSICO DE UN BUS CAN ................................................. 94 2.19 RECEPCIÓN DE MENSAJES CAN BUS .............................................. 97 2.20 MENSAJE FORMATO CAN 2.0A ......................................................... 98 2.21 MENSAJE FORMATO CAN 2.0B ......................................................... 99 2.22 RED CAN ............................................................................................ 102 2.23 MEDIDAS OBSERVADAS EN EL DESARROLLO DEL LAZO .......... 103 2.24 CABLES CAN BUS ............................................................................. 105 2.25 ELEMENTO DE CIERRE O TERMINADOR CAN BUS ....................... 105 2.26 CONTROLADORES CAN BUS ........................................................... 106 2.27 TRANSISTOR \ RECEPTOR CAN BUS .............................................. 107 2.28 CICLO DE TRANSMISIÓN DE DATOS .............................................. 108 2.29 DATAGRAMA ..................................................................................... 108 2.30 COMO SE ESCRIBE UN MENSAJE ................................................... 110 2.31 MENSAJE ESTÁNDAR. ...................................................................... 111 2.32 PROTOCOLO DE DATOS .................................................................. 113 2.33 ADJUDICACIÓN DE PRIORIDADES .................................................. 114 2.34 FUENTES PARASITAS ...................................................................... 115 2.35 CAN BUS ÁREA DE TRACCIÓN ........................................................ 116 2.36 ÁREA DE TRACCIÓN ......................................................................... 117 2.37 ÁREA DE CONFORT .......................................................................... 119 2.38 INTERRUPCIÓN DE UN CABLE DEL BUS ........................................ 120 2.39 CORTOCIRCUITO ENTRE LOS CABLES DEL BUS ......................... 121 2.40 DERIVACIÓN A TIERRA .................................................................... 121 2.41 VERIFICACIÓN OSCILOSCOPIO ....................................................... 122 XVI CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRÓNICA 3.1 SIMULADOR ......................................................................................... 124 3.2 CIRCUITO DEL SENSOR DE PRESIÓN DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN. ................................................................................................. 127 3.3 SENSOR DE PRESIÓN DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN. .................... 127 3.4 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DEL MAP.......................................... 128 3.5 CIRCUITO DEL SENSOR MAP ............................................................ 129 3.6 SENSOR DE TEMPERATURA DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN. ......... 131 3.7 CIRCUITO DEL SENSOR DE TEMPERATURA DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN. ................................................................................................. 131 3.8 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DEL IAT ............................................ 131 3.9 CIRCUITO DEL SENSOR IAT............................................................... 132 3.10 SENSOR DE VELOCIDAD DEL MOTOR EPS ................................... 133 3.11 CIRCUITO DEL SENSOR DE POSICIÓN DEL MOTOR (EPS)........... 133 3.12 SEÑAL DEL EPS ................................................................................ 134 3.13 CIRCUITO DE TRANSFORMADORES ............................................... 135 3.14 CONEXIÓN DEL SENSOR EPS PARA EL COPIADO DE SEÑAL. .... 136 3.15 SENSOR DE TEMPERATURA DEL MOTOR WTS ............................ 137 3.16 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DEL WTS ........................................ 137 3.17 CIRCUITO DEL SENSOR DE TEMPERATURA DEL REFRIGERANTE (WTS) ............................................................................. 138 3.18 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR WTS .................................... 138 3.19 CIRCUITO DEL SENSOR DE TEMPERATURA DEL ACEITE DEL MOTOR (OTS) ............................................................................................ 139 3.20 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR OTS .................................... 140 3.21 CIRCUITO DEL SENSOR DE PRESIÓN DEL ACEITE DEL MOTOR (OPS) ........................................................................................... 141 3.22 SENSOR DE TEMPERATURA DEL MOTOR WTS ............................ 141 XVII 3.23 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR OPS .................................... 142 3.24 INYECTOR .......................................................................................... 143 3.25 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DEL INYECTOR ............................. 143 3.26 SOLENOIDE DE CIERRE DE COMBUSTIBLE. ................................. 144 3.27 CIRCUITO DE SOLENOIDE DE CIERRE DE COMBUSTIBLE. .......... 144 3.28 DISEÑO DEL CIRCUITO DE SOLENOIDE DE CIERRE DE COMBUSTIBLE. ......................................................................................... 145 3.29 SENSOR DE POSICIÓN DEL ACELERADOR (TPS) ......................... 146 3.30 CURVA DE FUNCIONAMIENTO DEL TPS ......................................... 146 3.31 CIRCUITO DEL SENSOR DE POSICIÓN DEL ACELERADOR. ........ 147 3.32 DISEÑO DEL CIRCUITO DEL SENSOR TPS. .................................... 147 3.33 INTERRUPTOR DE VALIDACIÓN DE MARCHA EN VACÍO (IVS). .. 148 3.34 CIRCUITO DE INTERRUPTOR DE VALIDACIÓN DE MARCHA EN VACÍO (IVS). ......................................................................................... 148 3.35 DISEÑO DEL CIRCUITO INTERRUPTOR DE VALIDACIÓN DE MARCHA EN VACÍO (IVS)… .................................................................. 149 3.36 DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DEL CIRCUITO IMPRESO DE CADA SENSOR. ......................................................................................... 150 3.37 DIAGRAMAS IMPRESOS EN LA PARTE FRONTAL DE LA TARJETA ELECTRÓNICA ......................................................................... 151 3.38 TARJETA ELECTRÓNICA ................................................................. 151 3.39 TARJETAS ELECTRÓNICAS ENSAMBLADAS ................................ 152 3.40 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ............................................................ 153 3.41 CONEXIONES AL TABLERO ............................................................ 154 3.42 CONEXIONES ENTRE COMPONENTES .......................................... 154 3.43 ECM CUMMINS.................................................................................. 155 3.44 ESTRUCTURA INTERNA DE LA ECM .............................................. 155 3.45 CONECTORES DE LA ECM. ............................................................. 156 3.46 PINES DE LOS CONECTORES DEL ARNÉS AL ECM. .................... 156 XVIII CAPÍTULO IV PROCEDIMIENTO Y PRUEBAS DEL EQUIPO 4.1 INSTALACIÓN DEL OSCILOSCOPIO A CADA ELEMENTO............... 158 4.2 PANTALLA DE CALIBRACIÓN DEL OSCILOSCOPIO OTC ............... 159 4.3 INTERFAZ DE COMUNICACIÓN INLINE 5 CUMMINS ........................ 159 4.4 CIRCUITO EPS ..................................................................................... 160 4.5 PIN DE CONEXIÓN EPS....................................................................... 160 4.6 ONDA SENSOR EPS ............................................................................ 161 4.7 PIN DE CONEXIÓN EPS....................................................................... 161 4.8 ONDA SENSOR MAP ........................................................................... 162 4.9 PINES DE CONEXIÓN MAP ................................................................. 162 4.10 ONDA SENSOR OPS ......................................................................... 163 4.11 PINES DE CONEXIÓN OPS ............................................................... 163 4.12 ONDA SENSOR WTS ......................................................................... 164 4.13 PIN DE CONEXIÓN WTS .................................................................... 164 4.14 ONDA SENSOR IAT ........................................................................... 165 4.15 PIN DE CONEXIÓN IAT ...................................................................... 165 4.16 ONDA SENSOR OTS ......................................................................... 166 4.17 PIN DE CONEXIÓN OTS .................................................................... 166 4.18 ONDA SENSOR TPS .......................................................................... 167 4.19 PIN DE CONEXIÓN TPS ..................................................................... 167 4.20 SEÑALES SENSOR TPS Y SWITCH IVS ........................................... 168 4.21 PINES DE CONEXION SENSOR TPS Y SWITCH IVS ....................... 168 4.22 SEÑALES SENSOR TPS Y SWITCH IVS ........................................... 169 4.23 PINES DE CONEXION SENSOR TPS Y SWITCH IVS ....................... 169 4.24 MANUAL FAN ..................................................................................... 170 4.25 MANUAL FAN – ON ........................................................................... 170 4.26 ENGINE BRAKE ................................................................................. 171 4.27 ENGINE BRAKE SELECTOR 1 .......................................................... 171 XIX 4.28 ENGINE BRAKE SELECTOR 2 .......................................................... 172 4.29 IDLE – DIAGNOSTIC SWITCH ........................................................... 173 4.30 ONDA INYECTOR .............................................................................. 174 4.31 PINES DE CONEXIÓN INYECTOR ..................................................... 174 4.32 ONDA DE CORRIENTE DEL INYECTOR ........................................... 175 4.33 PINZA AMPEROMÉTRICA OTC. ........................................................ 176 4.34 PINZA AMPEROMÉTRICA OTC. ........................................................ 176 4.35 COMPARACIÓN DE CURVAS DEL INYECTOR. ............................... 176 4.36 ONDA FUEL SOLENOIDE ................................................................. 177 4.37 PIN DE CONEXIÓN FUEL SOLENOIDE ............................................. 177 4.38 COMPARACIÓN DE CAN HIGH Y CAN LOW .................................... 178 4.39 PINES DE CONEXIÓN CAN HIGH Y CAN LOW ................................ 178 4.40 CONEXIÓN DEL INTERFAZ INLINE AL SIMULADOR. ..................... 179 4.41 POWERSPEC. .................................................................................... 179 XX ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO I ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS UTILIZADOS EN MOTORES DIESEL 1.1 CÓDIGO DE COLORES PARA TRES O CUATRO BANDAS DE LOS RESISTORES. ................................................................................................ 7 1.2 CÓDIGO DE COLORES PARA CINCO BANDAS DE LOS RESISTORES ................................................................................................. 8 1.3 VALORES EXPONENCIALES PARA RESISTENCIAS SMD ................... 9 1.4 SENSIBILIDADES RELATIVAS DE TERMISTORES, TERMORRESISTENCIAS Y TERMOCUPLAS . ........................................... 12 1.5 CAPACITORES CERÁMICOS TIPO PLACA, GRUPO 1 Y 2. ................ 16 1.6 CAPACITORES CERÁMICOS TIPO DISCO, GRUPO 1. ........................ 17 1.7 CAPACITORES CERÁMICOS TIPO DISCO, GRUPO 2. ........................ 17 1.8 CÓDIGOS DE COLORES: CAPACITORES CERÁMICOS TUBULARES. ............................................................................................... 18 1.9 CÓDIGOS DE MARCAS: CAPACITORES CERÁMICOS TUBULARES. ............................................................................................... 18 1.10 CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE LOS CAPACITORES DE PLÁSTICO. ................................................................................................... 19 1.11 CÓDIGOS DE COLORES: CAPACITORES DE PLÁSTICO. ................ 20 1.12 CÓDIGOS DE MARCAS: CAPACITORES DE PLÁSTICO. .................. 20 1.13 PRINCIPALES APLICACIONES DEL TRANSISTOR JFET. ................ 39 1.14 REFERENCIA ESPECIFICA DE UN TRANSISTOR DARLINTON...... 41 1.15 ESPECIFICACIÓN GENERAL PARA TRANSISTORES MOSFET. ...... 42 1.16 NÚMERO DE MÁSCARAS (INCLUYENDO LA PROTECCIÓN CONTRA RAYADURAS) REQUERIDAS PARA DIFERENTES TECNOLOGÍAS ......... 45 XXI CAPÍTULO II CARACTERISTICAS OPERATIVAS DE LA ECM 2.1 OBD I VS. OBD II ................................................................................... 76 2.2 MENSAJE REAL BUS CAN. ................................................................ 113 2.3 CAN BUS ÁREA DE TRACCIÓN .......................................................... 118 CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR DE GESTIÓN ELECTRÓNICA 3.1 SEÑALES DE LA ECM ......................................................................... 125 3.2 VOLTAJE DEL SENSOR MAP RESPECTO A LA PRESIÓN. .............. 126 3.3 RESISTENCIA DEL SENSOR RESPECTO A LA TEMPERATURA ..... 130 3.4 RESISTENCIA DEL SENSOR WTS RESPECTO A LA TEMPERATURA ......................................................................................... 137 3.5 RESISTENCIA DEL SENSOR OTS RESPECTO A LA TEMPERATURA ......................................................................................... 139 3.6 VOLTAJE DEL SENSOR OPS RESPECTO A LA PRESIÓN. .............. 141 RESUMEN El avance tecnológico a dado un paso agigantado en las aplicaciones eléctricas y electrónicas para la optimización de los sistemas de control de inyección en los motores diesel creando la necesidad de contar con técnicos automotrices especialistas en diagnóstico, reparación y repotenciación de los nuevos motores. Hoy en día el servicio y mantenimiento a los diferentes sistemas y componentes electrónicos de los motores a diesel en el país, sólo lo realizan los respectivos concesionarios que cuenten con el equipo original para diagnóstico y pruebas de estos sistemas, lo que origina costos muy elevados, y la adquisición de un sin número de repuestos cuyo proceso de importación en ocasiones es muy extenso, alargando el tiempo de parado de los automotores. El presente proyecto se encuentra dividido en 4 capítulos donde se señalan los aspectos más importantes para el desarrollo del mismo. Así, en el Capítulo I constan los elementos eléctricos – electrónicos utilizados en las computadoras automotrices ECM, de los cuales se puntualiza su funcionamiento y aplicación. En el Capítulo II, nos introducimos en los diferentes sistemas y componentes que intervienen en la inyección electrónica en motores diesel. En el Capítulo III, se encuentran todos los elementos tomados en cuenta como referencia para el diseño y construcción del banco de pruebas, incluyendo sus características y señales principales a probar. Por último en el Capítulo IV, se encuentran establecidos los procedimientos, funcionamiento y pruebas del equipo para que el operario empiece a diagnosticar y luego esto conlleve a la reparación de las ECM siendo el objetivo principal del proyecto. 2 PRESENTACIÓN El presente trabajo ha sido realizado como un aporte de consulta para el estudiante y profesional automotriz, interesado en el área de sistemas de inyección diesel Cummins tanto en la parte teórica y la práctica. Tomando en cuenta satisfacer las necesidades de una comprobación y verificación de computadores automotrices a inyección electrónica de motores diesel en un tiempo mínimo y con resultados precisos, se ha creado este banco de pruebas. En el diseño y construcción se ha tomado en cuenta todos los accesorios y elementos necesarios para simular los sensores y actuadores, encargados a la vez de poner en funcionamiento a la ECM, además se ha dotado de entradas que nos permiten realizar mediciones y comprobaciones en las facetas de diagnóstico. El equipo realizado permitirá potencializar una de las cualidades más importantes que debe poseer un técnico Automotriz que es su creatividad para realizar de manera óptima y eficiente, las comprobaciones y operaciones de reparación de computadoras en vista de la falta de diagramación electrónica interna de la ECM, de las cuales generalmente sólo se cuenta con los diagramas de los sistemas de inyección electrónica. Cabe destacar que el diagnóstico del computador es el último paso de los procedimientos de verificación de los sistemas de inyección y sólo se debe realizar después de un análisis preciso de los diferentes sistemas con los que cuente un motor diesel, y realizar pruebas específicas para la determinación de mal funcionamiento del computador. 3 CAPÍTULO I ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS UTILIZADOS EN MOTORES DIESEL 1.1. GENERALIDADES Un vehículo a inyección electrónica diesel está constituido por varios sistemas electrónicos, uno de ellos es la ECM1 la cual trabaja en equipo con sensores para poner en funcionamiento a los actuadores; siendo todos estos componentes fundamentales para el desempeño del vehículo. El control por computadora de un sistema automotriz hace que este actúe y reaccione con más precisión y rapidez. En el motor hay una serie de sensores que son los encargados de monitorear todos los parámetros y condiciones de funcionamiento a través de la determinación de valores de temperatura, presión, posición, flujo entre otras, la mayoría de ellos se alimentan por señales de voltaje entregados por la ECM, a los que se los llama voltaje de referencia, así mismo son capaces de entregar señales características conocidas como voltaje de señal. En la computadora, todos estos voltajes son interpretados por medio de conjuntos de circuitos integrados programados los que a su vez comandan el funcionamiento de los actuadores para lograr que el vehículo obtenga su correcto funcionamiento en diferentes condiciones de manejo, brindando al usuario beneficios importantes que van desde ahorro de combustible hasta los más bajos índices de contaminación. 1 ECM: Módulo de Control Electrónico 4 1.2. INTRODUCCIÓN A LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS – ELECTRÓNICOS En el presente capítulo, se realiza un estudio de los diferentes elementos pasivos y activos que intervienen en la conformación de los controladores electrónicos diseñados para los sistemas de inyección diesel, que hoy en día ayuda al diagnóstico y reparación de los controladores mencionados. 1.2.1 ELEMENTOS PASIVOS 1.2.1.1 RESISTENCIAS “Los circuitos electrónicos necesitan incorporar resistencias. Por esto se fabrica un tipo de componentes llamados resistores, cuyo único objeto es proporcionar en un pequeño tamaño una determinada resistencia, especificada por el fabricante. Hay resistencias de varios tipos. Los tipos más usuales son: Figura 1.1 Resistencia de carbono de 0.25 a 4W Figura 1.2 Resistencia bobinada cementada de 2 a 15W Figura 1.3 Resistencia bobinada de gran potencia 10W en adelante 5 Bobinadas Sobre una base de aislante en forma de cilindro se arrolla un hilo de alta resistividad (Wolframio, Manganita, Constanta). La longitud y sección de hilo, así como el material de que está compuesto, darán una resistencia. Esta suele venir expresada por un número impreso en su superficie. Se utilizan para grandes potencias, pero tienen el inconveniente de ser inductivas. Aglomerados Una pasta hecha con granulados de grafito (el grafito es una variedad del carbono puro; la otra es el diámetro). El valor viene expresado por medio de anillos de colores, con un determinado código. De película de carbón Sobre un cilindro de cerámica se deposita una fina película de pasta de grafito. El grosor de ésta y su composición determinan el valor de la resistencia. Pirolíticas Similares a las anteriores pero con la película de carbón rayada en forma de hélice para ajustar el valor de la resistencia. Son inductivas. Resistencias Variables En ocasiones es necesario disponer de una resistencia cuyo valor se pueda variar a voluntad. Son los reóstatos o potenciómetros. Se fabrican bobinados o de grafito, deslizantes o giratorios. Se llaman potenciómetros cuando tienen un eje giratorio, y resistencias ajustables cuando para variar se utilizan una herramienta. Los potenciómetros se representan en los circuitos por:”2 2 Jesús Rueda Santander; Manual Técnico Full Injection; DISELI Editores, Guayaquil, 2005. 6 Figura 1.4 Resistencia Variables A la hora de escoger una resistencia se debe tener en cuenta, además de su valor óhmico, otros parámetros, como la máxima potencia que es capaz de disipar y la tolerancia. Respecto a la primera, es preciso considerar que una resistencia se calienta al pasar por ella una corriente. Debido a esto, hace falta dimensionar el resistor de acuerdo con la potencia calorífica que vaya a disipar en su funcionamiento normal. Se fabrican resistencia de varias potencias nominales, y se diferencian por su tamaño distinto. La tolerancia es un parámetro que expresa el error máximo sobre el valor óhmico nominal con que ha sido fabricado un determinado resistor. Por ejemplo, una resistencia de valor nominal 470Ω con una tolerancia del 5%, quiere decir que el valor óhmico real de esa resistencia puede oscilar entre el valor nominal más el 5% del mismo, y el valor nominal menos el 5%. Es decir entre: 470 - 0,05 x 470 = 446,5 470 + 0,05 x 470 = 493,5 Si no se usan resistencias de alta precisión se define como la inversa de la resistencia y se representa con la letra G. Por analogía con la resistencia, podría decirse que la conductividad es la facilidad que un conductor ofrece al paso la corriente a través del mismo. 7 R G 1 o G R 1 La unidad de conductancia es el MHO (inverso de ohm), y se representa por la letra omega inversa . Código de Colores Los valores óhmicos de las resistencias se suelen representar por medio de unos anillos de colores, pintados en éstas. Suelen ser en números de cuatro, y su significado es el siguiente: Anillo 1: Primera cifra. Anillo 2: Segunda cifra. Anillo 3: Número de ceros que siguen a los anteriores. Anillo 4: Tolerancia. Tabla 1.1 Código de colores para tres o cuatro bandas de los resistores. 8 Tabla 1.2 Código de colores para cinco bandas de los resistores Algunos de los fabricantes más importantes en Estados Unidos, son TRW, Dale Electronics, RCL y Ohmite. Resistencias de montaje superficial SMD (Surface Mounted Devices) Identificar el valor de una resistencia SMD es más sencillo que para una resistencia convencional, ya que las bandas de colores son reemplazadas por sus equivalentes numéricos y así se imprimen en la superficie de la resistencia, la banda que indica la tolerancia desaparece y se la "reemplaza" en base al número de dígitos que se indica, es decir; un número de tres dígitos nos indica en esos tres dígitos el valor del resistencia, y la ausencia de otra indicación nos dice que se trata de una resistencia con una tolerancia del 5%. Un número de cuatro dígitos indica en los cuatro dígitos su valor y nos dice que se trata de una resistencia con una tolerancia del 1%. 9 (a) (b) Figura 1.5 Resistencia SMD a) Resistencia de tolerancia 5 b) Resistencia de tolerancia 1% Tabla 1.3 Valores Exponenciales para resistencias SMD Número Exponente 0 1 1 10 2 100 3 1000 4 10000 5 100000 6 1000000 7 10000000 8 100000000 9 1000000000 • Primer dígito: corresponde al primer dígito del valor • Segundo dígito: corresponde al segundo dígito del valor • Tercer dígito: (5%): representa al exponente, o "números de ceros" a agregar. (Figura (a)) • Tercer dígito: (1%): corresponde al tercer dígito del valor. (Figura (b)) • Cuarto dígito: (1%): representa al exponente, o "número de ceros" a agregar. 10 Ejemplo 1: Resistencia con 3 dígitos (5%) 650 1º dígito = 6 2º dígito = 5 3º dígito = 0 =1 65 x 1 = 65ohms 332 1º dígito = 3 2º dígito = 3 3º dígito = 2= 100 33 x 100 =3300 ohms Ejemplo 2: Resistencia con 4 dígitos (1%) 1023 1º dígito = 1 2º dígito = 0 3º dígito = 2 4º dígito = 3= 1000 102 x 1000 =102 Kohms Ejemplo 3: resistencias (Leyendas poco usuales) Primer caso: La resistencia con la leyenda 47, se le ha aplicado una costumbre común en muchos fabricantes que es la de la supresión del cero innecesario. Es decir estamos ante un resistor que normalmente debería tener estampado el número 470 (47ohms), pero que se le ha quitado el 0 por conveniencia. Este es un caso común prácticamente en todos los resistores con 2 cifras. Note que el valor de resistencia indicado no hubiese cambiado, aún cuando tuviera estampado el número 470 o 4700, solo su porcentaje de tolerancia o error. 11 Segundo caso: En la resistencia con la leyenda 1R00 la R representa al punto decimal, es decir, deberíamos leer "uno-punto-cero-cero". Aquí el cuarto dígito no sólo nos dice que se trata de un exponente cero sino que también su existencia manifiesta la importancia de la precisión (1%). Se trata simplemente de un resistor de 1 ohm con una desviación máxima de error de +/- 1%. Tercer caso: (1R2) es similar al anterior, sin embargo a diferencia de éste se le ha aplicado la supresión del cero por lo que deberíamos entender que se trata de un resistor de 1.2 ohms con una tolerancia del 5% de error. Cuarto caso: (R33), tenemos el valor 0.33 al cual se le suprimió el cero. La ausencia de un cuarto dígito nos dice que se trata de un resistor "común" de 0.33 ohm 5%. Quinto caso: es uno de los más comunes y en general abundan en muchas placas con dispositivos SMD. El 000 nos dice que se trata de un resistor de cero ohm, es decir un simple conductor. Esto es debido a que la densidad del trazado es tan alta que no queda otro remedio que recurrir al viejo "puente". En otros casos estos componentes son usados como protección fusible aprovechando las dimensiones reducidas del material conductor. 1.2.1.2 TERMISTORES Los termistores están compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy elevado. La resistencia puede cambiar en dos órdenes de magnitud entre O y 100 °C, o hasta siete órdenes de magnitud desde -100 hasta 400 °C. Esto hace de los termistores unos detectores de temperatura. 12 Tabla 1.4 Sensibilidades relativas de termistores, termorresistencias y termocuplas. Los termistores más comunes con coeficiente térmico negativo NTC, (negative temperature coefficient), se elaboran de materiales cerámicos, como los óxidos de manganeso, cromo, níquel, cobalto, hierro, cobre y uranio. Con la adición de pequeñas cantidades de ciertos metales, estos compuestos se convierten en semiconductores (tipo p o tipo n) que experimentan un decremento en la resistencia a medida que se activan térmicamente portadores extra. Habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). El termistor se fabrica a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio, como típicas se pueden considerar las preparaciones de óxido de manganeso con cobre y óxido de níquel con cobre . Modificando las proporciones de óxido se puede variar la resistencia básica un termistor; se dispone de termistores con resistencias básicas a 25 ºC desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que 13 pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar. Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales. Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los glóbulos, las sondas y los discos. Los glóbulos se fabrican formando pequeños elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm (fig. l). Normalmente recubiertos con vidrio por razones de protección, son extremadamente pequeños (0,15 mm a 1,3 mm de diámetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rápida a variaciones de temperatura. Figura 1.6 Termistores: a) NTC tipo disco; b) NTC tipo cilíndrico; c) PTC tipo disco; d) PTC tipo tornillo Características Los valores paramétricos y la resistencia se refieren a la resistencia a una temperatura ambiente de 25 °C bajo condiciones de disipación de potencia despreciable en el termistor. Si la disipación de potencia es suficientemente alta para incrementar la temperatura inicial del termistor inclusive en una pequeña cantidad, la resistencia cambia. Entonces, la relación entre el voltaje aplicado y la corriente es altamente no lineal. Para un termistor dado, estas curvas dependen de la temperatura ambiente. Los fabricantes especifican la resistencia sin disipación a 25°C. El intervalo acostumbrado es de 10 Ω a 1 MΩ, con una tolerancia del 10 al 20%. La tolerancia 14 de la resistencia puede traducirse en una tolerancia de temperatura mediante una curva de resistencia. Para indicar la variación de la resistencia con la temperatura, es posible que se proporcione el coeficiente térmico (3 a 6% / °C), o bien el valor β (2000 a 5000/K). Con frecuencia se especifica la relación de resistencias a 25°C y a 125°C (típicamente, de 5 a 50). La disipación máxima de potencia varía de 10mW a 2W, con un factor de disipación térmica (inversa de la resistencia térmica) de 0.1 a 25 mW/°C. Las constantes temporales térmicas varían de 0.5 a 150 s, dependiendo del tamaño y empaque. Una aplicación importante de los termistores es como patrones de temperatura. La calibración, referida a las normas de la National Bureau of Standards, puede efectuarse a 0.0015°C. La estabilidad se encuentra dentro de 0.005°C por año. Además de este empleo, los termistores se utilizan para compensación en circuitos activos, regulación de voltaje y corriente, retrasos de tiempo, detección y control, protección contra sobre tensiones y eliminación de chispas. 1.2.1.3 CAPACITORES Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q. 15 Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero si queremos que pase la alterna. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia. Además son utilizados en: ventiladores, motores de aire acondicionado, en Iluminación, refrigeración, compresores, bombas de agua y motores de corriente alterna, por la propiedad antes explicada. Figura 1.7 Capacitor Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado. De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos: Cerámicos. Plástico. Mica. Electrolíticos. 16 De doble capa eléctrica. 1.2.1.3.1 Capacitores de Cerámica El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos: Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante. Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevada permitividad. Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico. Tabla 1.5 Capacitores Cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2. 17 Tabla 1.6 Capacitores Cerámicos tipo disco, grupo 1. Tabla 1.7 Capacitores Cerámicos tipo disco, grupo 2. 18 Tabla 1.8 Códigos de Colores: Capacitores Cerámicos tubulares. Tabla 1.9 Códigos de Marcas: Capacitores Cerámicos tubulares. 19 1.2.1.3.2 Capacitores de Plástico Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento. Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo). Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales: KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico. KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno. MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado. MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado. MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster). MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico. La tabla 1.10 muestra las características típicas de los capacitores de plástico: Tabla 1.10 Características típicas de los capacitores de plástico. TIPO CAPACIDAD TOLERANCIA TENSIÓN TEMPERATURA KS 2pF-330nF +/-0,5% +/-5% 25V-630V -55ºC-70ºC KP 2pF-100nF +/-1% +/-5% 63V-630V -55ºC-85ºC MKP 1,5nF-4700nF +/-5% +/-20% 0,25KV-40KV -40ºC-85ºC MKY 100nF-1000nF +/-1% +/-5% 0,25KV-40KV -55ºC-85ºC MKT 680pF-0,01mF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC MKC 1nF-1000nF +/-5% +/-20% 25V-630V -55ºC-100ºC 20 Tabla 1.11 Códigos de Colores: Capacitores de Plástico. Tabla 1.12 Códigos de Marcas: Capacitores de Plástico. 21 1.2.1.3.3 Capacitores de Mica El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo. 1.2.1.3.4 Capacitores Electrolíticos En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados. Podemos distinguir dos tipos: Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico. Electrolíticos de tantalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tantalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su coste es algo más elevado. Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otros parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar. Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formas más usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes: Figura 1.8 Capacitor electrolítico 22 1.2.1.3.5 Capacitores de Tantalio Actualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, si). Con el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +: Figura 1.9 Capacitor de Tantalio 1.2.1.3.6 Selección de Capacitores El criterio más importante en la elección de capacitores para aplicaciones particulares es el rendimiento, pero también es necesario considerar su disponibilidad y precio. “Disponibilidad bajo pedido” suele significar grandes demoras, cantidades limitadas, inexistencia de una segunda fuente y precios elevados. Las características generales de rendimiento son difíciles de especificar debido a los continuos cambios en las líneas de productos como respuesta a las mejoras tecnológicas y a los cambios en los mercados. También existe una amplia superposición en las especificaciones entre las diversas familias de capacitores. Por estas razones, algunas veces es difícil la elección de capacitores. En los tamaños de intervalo mediano existen varias familias entre las cuales es posible elegir. Sin embargo, factores como corriente de pico, CA ondulatoria y requerimientos de polarización o no polarización pueden limitar la elección. 23 No suele disponerse de grandes valores de capacitancia en los voltajes nominales más elevados, y voltajes elevados pueden implicar grandes dimensiones o empaques diferentes. El voltaje nominal no necesariamente se correlaciona con el voltaje real de disrupción. Valores pequeños de capacitancia requieren áreas de electrodos pequeñas y, por tanto, poco prácticas, a menos que se utilicen múltiples capas de dieléctrico, pero el fabricante puede especificar el mismo voltaje de trabajo que el de otros capacitores en la misma línea de productos. Por otra parte, debe hacerse hincapié en que la confiabilidad de un capacitor aumenta a medida que se reduce el voltaje. También existe un intervalo útil de frecuencias de familias de capacitores. La frecuencia superior está limitada por la frecuencia de autorresonancia (que depende parcialmente de la longitud de la punta), la resistencia equivalente en serie y la disminución en el valor del capacitor. La temperatura incide en las variaciones de la capacitancia, dependen de la magnitud de la capacitancia, voltaje nominal, tipo de electrolito o impregnante, etc. 1.2.1.3.7 Capacitores para Circuitos Integrados En los circuitos integrados monolíticos de silicio se emplean tres tipos de capacitores: 1. Los elaborados con una capa altamente difundida, una capa de dióxido de silicio y un electrodo de aluminio. 2. Aquellos en los que se emplea una unión pn con polarización inversa. 3. Los que se fundamentan en la capacitancia parásita y en la capacitancia de entrada a la compuerta de los transistores a base de semiconductores de metal y óxido (MOS, del inglés metal oxide semiconductor). Este tipo se utiliza en memorias de semiconductor y en lógica dinámica. 24 1.2.1.4 INDUCTORES Los inductores son componentes pasivos que almacenan energía eléctrica en forma de campo magnético y responden linealmente a los cambios de corriente. Por lo tanto, en presencia de una corriente contínua constante se comportan como cortocircuitos. Sin embargo, sólo tiene importancia en un circuito eléctrico cuando la corriente cambia con respecto al tiempo. Cuando la corriente aumenta o disminuye, el efecto que se opone a este cambio se denomina inductancia (L) o auto inductancia (La). Por consiguiente, la inductancia es provocada por un campo magnético cambiante, producido por una corriente cambiante. La inductancia en henrios (H) por vuelta de la bobina, puede expresarse como: di d N Ls Ec. 1.1 Donde = flujo magnético, webers i = Corriente. Ampers N = Número de vueltas. En general, los componentes inductivos son únicos en comparación con los resistores y los capacitores, que existen en el mercado como productos estándares, ya que aquellos suelen diseñarse para una aplicación específica. Sin embargo, recientemente ha aparecido en el mercado una amplia variedad de inductores como productos estándares debido a la tendencia a la miniaturización. Los inductores con bajos valores de inducción suelen estar devanados en formas no inductivas (núcleos de aire o fenólicos); los de valores medios, en núcleos de hierro pulverizado; y los de elevados valores, en núcleos de ferrita. 25 1.2.1.4.1 Bobinas: Inductores en serie y paralelo Bobinas en serie En muchas ocasiones es necesario agrupar el valor de varias bobinas o inductores que están conectadas en serie o paralelo. Se presenta seguidamente el método a seguir para su simplificación. El cálculo del inductor o bobina equivalente de inductores en serie es similar al método de cálculo del equivalente de resistencias en serie, sólo es necesario sumarlas. Figura 1.10 Diagrama en Serie de Bobinas En el diagrama hay 3 inductores o bobinas en serie y la fórmula a utilizar es: 321 LLLLT Ec. 1.2 Para este caso particular, pero si se quisiera poner más o menos de 3 bobinas, se usaría la siguiente fórmula: LNLLLLT ......321 Ec. 1.3 donde N es el número de bobinas colocadas en serie Bobinas en paralelo El cálculo de la bobina equivalente de varias bobinas en paralelo es similar al cálculo que se hace cuando se trabaja con resistencias. Figura 1.11 Diagrama en Paralelo de Bobinas El caso que se presenta es para 3 bobinas y se calcula con la siguiente fórmula: 26 3 1 2 1 1 11 LLLLT Ec. 1.4 Pero la fórmula se puede generalizar para cualquier número de bobinas, con la siguiente fórmula LNLLLLT 1 ...... 3 1 2 1 1 11 Ec. 1.5 donde N es el número de bobinas que se conectan en paralelo. 1.2.1.4.2 Inductores para Aplicaciones en Circuitos Integrados La exactitud de fabricación de los componentes integrados es del orden del 10%. Sin embargo, es posible mantener relaciones entre diversos componentes hasta el 3% aproximadamente. Por ejemplo, si deben elaborarse dos resistores y la relación de resistencia debe ser 4:1, esta relación puede obtenerse con un 3% de exactitud, aun cuando puede haber errores del 10% en el valor de las resistencia. La fabricación de inductores integrados no ha sido satisfactoria. Una de las limitaciones de la tecnología de los circuitos integrados es la carencia de inductores integrados, por consiguiente, siempre que es posible se evitan. En muchos casos es posible eliminar la necesidad de elementos inductivos mediante el empleo de una técnica conocida como síntesis RC. Si se requieren inductores con Q mayor de 5 µH, se utilizan inductores discretos y se conectan de manera externa con la pastilla de silicio. El tamaño físico de estos inductores suele ser mucho mayor que el de la pastilla. 1.2.1.5 TRANSFORMADORES “Un transformador es un dispositivo que transfiere energía de un circuito a otro mediante inducción electromagnética. La inductancia mutua, previamente mencionada, describe el principio básico implicado; es decir, los circuitos 27 mantienen su acoplamiento de tal modo que cualquier cambio de corriente en la primera bobina, o bobina primaria, provoca un cambio de flujo que induce un voltaje en la segunda bobina, o bobina secundaria. Cuando se conecta una carga a la segunda bobina, este voltaje del secundario provoca una corriente de carga, o corriente secundaria, que a su vez crea un contra flujo que provoca el incremento de la corriente de la primera bobina en un intento de proporcionar más flujo. Esta acción, denominada acción de transformador, provoca el paso de energía del primario al secundario a través del medio del campo magnético cambiante. Es posible utilizar un núcleo ferro magnético para obtener un acoplamiento más estrecho.”3 1.2.1.5.1 Transformadores de Potencia Los transformadores electrónicos de potencia suelen operar a una sola frecuencia. Por lo general, las frecuencias son 50, 60 o 400 Hz. En Europa, 50 Hz es lo común; 400 Hz es la frecuencia de alimentación de mayor empleo en aeronáutica, 60 Hz en nuestro país. Sin embargo, los futuros transformadores aeronáuticos operarán a mayores frecuencias a fin de reducir peso y tamaño. Las consideraciones para el diseño de transformadores de potencia están controladas por: Eficiencia Ésta es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. El factor de calidad de los transformadores de potencia está en función de las pérdidas del núcleo y de las pérdidas óhmicas (por efecto Joule o en el cobre): )100(% Pi Po Ef Ec. 1.6 Las eficiencias típicas varían del 70 al 98%. Los grandes transformadores suelen tener eficiencias superiores. 3 Demsey A; Electrónica Digital Básica; Ediciones Alfa omega, México, 1992, 280 págs. 28 Factor de potencia El factor de potencia reviste particular interés en grandes transformadores, en los que se consume una gran cantidad de potencia. El factor de potencia es sencillamente el coseno del ángulo de fase o la razón de la potencia verdadera o potencia real disipada (watts), entre la potencia aparente (volt-amperes): Factor de potencia (PF) = cos θ = VA W arentepotenciaap ipadapoteniadis Ec. 1.7 Incremento de temperatura Ésta es una especificación importante, ya que estipula la temperatura de operación del dispositivo. Las pérdidas de potencia provocan aumento de temperatura. Regulación del voltaje Esta regulación se define como el cambio en magnitud del voltaje secundario a medida que la corriente cambia desde carga cero hasta carga total, mientras se mantiene fijo el voltaje primario. Por consiguiente, cuando la carga es cambiante, se espera que el voltaje a través de la carga permanezca dentro de ciertos límites, y la regulación se convierte en un factor importante en el diseño. Desfase Este es un factor importante en el diseño de transformadores de referencia. El desfase permisible para condiciones específicas se establece en muchas especificaciones. Es una función de la resistencia de CD del devanado primario, la inductancia de fuga, y la impedancia del generador de activación. Por lo general, es deseable un desfase mínimo. 29 Corriente de irrupción Ésta es una función de la conmutación o el valor del voltaje. Pueden producirse corrientes pico varias veces mayores que la corriente normal de excitación. Esta corriente suele tener naturaleza transitoria y dura sólo unos cuantos ciclos de la frecuencia de potencia. Después se estabiliza en la corriente normal de excitación. Inductancia de fuga Como ya se ha dicho, la inductancia de fuga no representa una pérdida de potencia. Consta de líneas de fuerza magnética que no cortan o acoplan ninguna vuelta del devanado, por lo que no producen un voltaje utilizable. La inductancia de fuga afecta la regulación de voltaje. Mientras mayor sea dicha inductancia, más deficiente será la regulación. 1.2.1.6 RELÉS “Los relés electromagnéticos juegan un rol muy importante en muchos circuitos eléctricos y electrónicos del automóvil. Estudiaremos las principales características del relé electromagnético, y demostraremos algunas aplicaciones de los relés en circuitos automotrices. Al usar relés, es posible llevar a cabo un número ilimitado de funciones de conmutación. Una de las funciones más comunes del relé consiste en conmutar ON y OFF altas corrientes, por medio de una corriente de activación mucho más pequeña. El uso del relé es una verdadera obligación cuando deben controlarse altas corrientes desde una ubicación distante. En este caso el relé puede ser controlado por interruptores de baja potencia y por cables delgados.”4 4 Guerrero A; Fundamentos de Electrotecnia; Ediciones McGraw-Hill, Madrid, 1996. 30 Los relés de armadura pivotada tienen su armadura (elemento móvil el relé) acanelada o abisagrada. La Figura 1.12 muestra la construcción de un relé simple de armadura pivotada SPDT (unipolar de dos vías). Figura 1.12 Estructura de un Relé Los relés de lengüeta están construidos a partir de interruptores de laminillas magnéticas. Los relés de lengüeta usan interruptores metálicos flexibles encerrados en cápsulas de vidrio y movidos por magnetismo como elementos de contacto. En la figura 1.12 se muestra un relé de lengüeta básico. Cuando las lengüetas están expuestas a un campo magnético generado por un electroimán o un imán permanente, adoptan polaridades magnéticas opuestas y se atraen entre sí. Esto cierra las puntas de las lengüetas, que son los contactos del relé, y que están alineadas y se sobreponen con un pequeño entrehierro entre ellas. La corriente que circula a través de la bobina produce un campo magnético que causa que los contactos de lengüeta se cierren debido a la atracción magnética, generada por un campo magnético producido en el extremo de cada lengüeta. Dicho campo magnético es de signo opuesto en cada una de las dos lengüetas, por lo que las puntas de las lengüetas se atraen entre sí y establecen contacto. Las especificaciones técnicas de los relés contienen información acerca de la tensión operativa nominal del relé, su capacidad máxima de portador de corriente, su tensión de disparo y su tensión de reposo. 31 La tensión de disparo (o de activación) es la tensión mínima para la cual la armadura se asienta contra el núcleo de la bobina. La tensión de reposo (desaccionamiento o paso - vuelta - al reposo) es la tensión máxima para la cual el relé retorna a su posición liberada o de reposo. La tensión de disparo típica de un relé de 12 V es de aproximadamente 7 a 9 voltios. La tensión, de reposo es de aproximadamente 2 a 4 voltios. Cuando el relé es energizado, la distancia entre la bobina electromagnética y la armadura pivotada disminuye, y causa que el campo magnético sea mucho más intenso. Por eso se requiere una tensión menor para jalar de la armadura pivotada y evitar su liberación. 1.2.2 ELEMENTOS ACTIVOS 1.2.2.1 DIODOS DE UNIÓN PN La columna vertebral de la mayor parte de los dispositivos semiconductores, que amplifican, conmutan o emiten radiación, es la unión pn. Esta unión, que se forma colocando un semiconductor tipo p adyacente a un semiconductor tipo n, tiene la propiedad de impedir el flujo de corriente en una dirección, al tiempo que permite su paso en la otra dirección. Aunque es posible utilizar materiales diferentes para los semiconductores tipo p y tipo n, formando de este modo una heterounión, la mayor parte de las uniones pn se forman del mismo material, por ejemplo, silicio o germanio. El funcionamiento físico de una unión pn puede visualizarse si se recuerda que el material tipo n tiene portadores de carga que en su mayor parte son electrones (con carga negativa) y que el material tipo p tiene portadores de carga que en su mayor parte son huecos (con carga positiva). Por consiguiente, si en la unión se aplica una polarización, de modo que el lado p sea positivo y el n sea negativo, 32 los electrones serán atraídos por el material n hacia el lado positivo de la fuente, y los huecos serán atraídos por la terminal negativa. Así, la corriente fluirá de un lado a otro de la unión. 1.2.2.1.1 Tipos de Diodos Diodos Varactor Mientras que en algunas aplicaciones la capacitancia de la unión pn es una amenaza, es una característica útil para aplicaciones en las que se requiere capacitancia controlada por voltaje. Para tales aplicaciones es aconsejable que la capacitancia varíe más rápidamente que el V-1/2 que se obtiene con uniones abruptas. Es posible lograr una variación más rápida con el voltaje mediante el empleo de una unión hiperabrupta. Con este dispositivo, construido con técnicas epitaxiales controladas, es posible producir varactores cuya capacitancia varía como la relación: 2 VVo Diodos pin Un diodo pin se construye con una capa de alta resistividad (silicio intrínseco) colocada entre el material p y el material n. Tales diodos se caracterizan por una capacitancia relativamente constante de la capa de agotamiento. Diodos Zener. Es un tipo especial de diodo que se diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa). Estos diodos constituyen una clase de dispositivos de unión pn con un voltaje de disrupción especificado; se pretende que operen a ese voltaje como fijadores del nivel de tensión. En realidad, el mecanismo de disrupción es más a menudo en avalancha que el de Zener, pero a dichos dispositivos se aplica el nombre genérico de diodos Zener aun cuando esta designación no precisa la causa física de la disrupción. 33 Los diodos Zener se aplican como reguladores de voltaje o como referencias de voltaje. El voltaje de disrupción es un parámetro de especificación, como lo es la resistencia dinámica del dispositivo. 1.2.2.1.2 Aplicaciones Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C), en este caso se usa un diodo como rectificador. Figura 1.13 Símbolo del Diodo 1.2.2.2 RECTIFICADORES El rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente contínua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión inversa de disrupción (zona inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en instalaciones fotovoltaicas, etc. 34 Figura 1.14 Curva característica de un Diodo Rectificador Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante): 1. La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx. o VR máx., respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar. 2. La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx. e IF máx. respectivamente), he de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar. 3. La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar. 1.2.2.3 TRANSISTORES Es la acción de amplificación de corriente y flujo de portadores, en los artículos dedicados a los diodos de unión pn se observó que cuando un diodo está polarizado en sentido directo conduce corriente. Cuando la unión directamente polarizada se coloca cerca (en una vecindad de micrones) de una unión con polarización inversa, es posible obtener un dispositivo con tres terminales, denominado transistor. 35 1.2.2.3.1 Características del Transistor Real Las características del transistor ideal cambian significativamente durante la operación del transistor real. Los fenómenos físicos responsables de los cambios son: 1. La caída del voltaje resistivo a través del colector cuando fluye la corriente. 2. El estrechamiento de la región efectiva de la base a medida que la región de agotamiento del colector penetra en la región de la base. 3. La caída de voltaje resistivo lateralmente a través de la base, que provoca que la corriente inyectada del emisor se acumule hacia el borde del emisor. 1.2.2.3.2 Tipos de Transistores de Potencia 1.2.2.3.2.1 Transistor BJT Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Una forma de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro: Este dispone de dos orificios para insertar el transistor, uno para un NPN y otro para el PNP. Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP. 36 Figura 1.15 Transistor BJT Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dándonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector, por lo que en principio no podemos conocer su valor. Algunos polímetros son capaces de medir este parámetro pero esta medida hay que tomarla solamente como una indicación, ya que el polímetro mide este parámetro para un valor de corriente de colector distinta a la que circulará por el BJT una vez en el circuito. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan prácticamente nulas (y en especial Ic). ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés. El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor NPN. Para encontrar el circuito PNP complementario: 37 1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP. 2. Se invierten todos los voltajes y corrientes. Figura 1.16 Regiones de operación del BJT. 1.2.2.3.2.2 Transistor FET (JFET) Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Zonas de funcionamiento del transistor de efecto de campo (FET): ZONA ÓHMICA o LINEAL: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el 38 fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS. ZONA DE SATURACIÓN: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS. ZONA DE CORTE: La intensidad de drenado es nula (ID=0). Figura 1.17 Zona de funcionamiento de JFET. A diferencia del transistor BJT, los terminales drenador y surtidor del FET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico). La operación de un FET de CANAL P es complementaria a la de un FET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario. Figura 1.18 Transistor JFET 39 Tabla 1.13 Principales aplicaciones del transistor JFET. 1.2.2.3.2.3 Transistor DARLINTON. En muchos módulos de control electrónico se utiliza un transistor denominado darlinton, el cual lo podemos analizar como dos transistores convencionales BJT unidos, obteniendo así más capacidad de conmutación de corriente, en el escrito inferior se da el fundamento físico que demuestra esta operación, son unas ecuaciones muy sencillas que pueden ampliar el concepto de este transistor. El transistor Darlinton es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. 40 Figura 1.19 Transistor Darlinton con la identificación de las patillas y su estructura interna El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2. El encapsulado es una de las características en las que este transistor cambia respecto a los convencionales BJT. Con las hojas de información DATASHETS es muy fácil identificar sus terminales. En el caso de requerir sus propiedades normales de operación éste mismo catálogo provee la información normal de operación, o los valores máximos de parámetros de funcionamiento como serían por ejemplo. • Voltaje C – E • Corriente Colector normal y máxima. • Frecuencia de Trabajo Máxima. • Temperatura Máxima de Trabajo. Figura 1.20 Tipo de encapsulado de un Transistor Darlinton En el cuadro inferior se muestra una tabla usual para una referencia específica de un transistor tipo DARLINTON. 41 Tabla 1.14 Referencia específica de un transistores Darlinton. 1.2.2.3.2.4 Transistor MOSFET. El principal de estos transistores se denomina MOSFET M: Metal O:Oxido S:Semiconductor. En la gráfica inferior se puede apreciar la presentación comercial de unos de estos transistores en ella se puede apreciar la denominación de sus terminales y también su configuración externa donde es importante recalcar la característica de compuerta aislada, el encapsulado en el caso Automotriz es tipo To 220 – 200 – 2P – 3P. Figura 1.21 Transistor MOSFET 42 Pero las diferencias principales se generan en cuanto a poder de conmutación en donde este tipo de transistores puede tener mayor ganancia. Es importante observar por ejemplo el valor de corriente máximo y pulsante entre Drain – Source, y el voltaje máximo soportado en estos terminales. Tabla 1.15 Especificación general para transistores MOSFET. En el valor de corriente se encuentra que en condiciones normales puede comandar 20 A y en conmutación pulsante llegaría hasta 80 A y en el Voltaje D – S sin problemas 450 V con lo cual un sistema de encendido podría ser activado por este componente, en la gráfica 1.21 de los terminales se puede apreciar que el montaje del componente es superficial SMD. 1.2.2.4 CIRCUITOS INTEGRADOS Un circuito integrado o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en 43 múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles y en controladores del automovil. Los circuitos integrados pueden dividirse convenientemente en dos tipos: bipolares y MOS. Las familias bipolares incluyen los TTL, ECL e I2L. El análisis de las familias MOS se restringe a los PMOS, NMOS y CMOS. En términos generales, los circuitos bipolares tienen mayor disipación de potencia y mayor velocidad de conmutación. Figura 1.22 Circuito integrado 1.2.2.4.1 Familias Bipolares Una de las primeras familias lógicas en el mercado fue la TEL, y durante mucho tiempo fue el caballo de batalla de la industria. Su fácil disponibilidad en un amplio intervalo de circuitos SSI y MSI la hizo la elección del diseñador. Evidentemente, se considera una ventaja para cualquier familia ser compatible con la TTL; es decir, operar con una sola fuente de 5 V y a los mismos niveles lógicos. Modificaciones a la compuerta lógica fundamental han dado mayor flexibilidad adicional a la TTL, y el desarrollo de un Schottky de baja potencia la ha hecho viable como tecnología LSI. 1.2.2.4.2 Familia Mos Los circuitos MOS se producen desde mediados de la década de 1960. Los primeros circuitos LSI fueron pastillas para calculadoras en las que se empleaba un proceso de PMOS con compuertas metálicas. Aunque el rendimiento de los PMOS es intrínsecamente inferior al de los NMOS debido a que sus portadores 44 mayoritarios (huecos) poseen menor movilidad, los PMOS se utilizaron inicialmente porque no era posible fabricar productos NMOS estables de alta calidad. Esta se convirtió en la tecnología LSI más económica. Sin embargo, se considera obsoleta y no es un serio rival para los diseños VSLI. En los circuitos LSI y en los primeros circuitos VSLI, la tecnología dominante es la NMOS. El diseño creativo de circuitos y el avance en las técnicas de fabricación han dado por resultado mejoras contínuas en cuanto a velocidad, densidad y rentabilidad. Parece que la familia NMOS con carga de agotamiento y compuertas de silicio o siliciuro continuará siendo ampliamente usada en el futuro previsible. 1.2.2.4.3 Elaboración de las Tabletas Los lingotes se cortan en tabletas con el filo interno de una hoja dentada en forma de disco con filos de diamante. A continuación las tabletas se esmerilan, graban y pulen. Una cara es pulida hasta darle un acabado de espejo, mientras que la otra se hace áspera a fin de que actúe como sumidero para los precipitados y las imperfecciones del cristal. El borde puede redondearse a fin de minimizar la astilladura y facilitar su manejo en el equipo de procesamiento automático. 1.2.2.4.4 Fabricación de Circuitos Bipolares La fabricación de un circuito integrado bipolar típico empieza con una tableta tipo p orientada en una dirección determinada, impurificada con boro, con resistividad de entre 5 y 20Ω-cm. La primera etapa es la oxidación y de ahí se continúa a través de procesos complejos de construcción total. A continuación se encuentran la cantidad de máscaras mínimas para cada tecnología. 45 Tabla 1.16 Número de máscaras (incluyendo la protección contra rayaduras) requeridas para diferentes tecnologías 1.2.2.4.5 Lógica Transistor-Transistor Una compuerta ordinaria de lógica transistor-transistor (TEL) se fabrica con un proceso. Se muestra una representación esquemática de una compuerta NAND de dos entradas Figura 1.23 Gráfico comparativo lógica transistor 1.2.2.4.6 Circuitos Integrados Híbridos DE PELÍCULA GRUESA Y DE PELÍCULA DELGADA En la industria de la microelectrónica no existe una definición generalmente aceptada para los circuitos híbridos. Se tiende a clasificarlos por diseño, fabricación y materiales, por función, o basándose en su empleo. El rasgo común 46 en todas las definiciones es la miniaturización de la manufactura del circuito electrónico por otros medios diferentes a la ubicación de todas las funciones en un solo circuito integrado semiconductor monolítico. Un ejemplo típico de esto es la sustitución de un tablero de circuitos impresos que tiene piezas discretas por un circuito híbrido, en el que se emplea uno de los diversos métodos de encapsulado. La reducción del tamaño empleando técnicas híbridas de construcción varía desde aproximadamente 5:1 hasta 20:1. Figura 1.24 Construcción híbrida de película delgada En la figura 1.24 observamos a cuatro grandes transistores de potencia interdigitados. El híbrido es un cuadrado que mide 1 pulgada por lado y contiene 9 circuitos integrados, 25 transistores, 6 diodos, 18 capacitores. 53 resistores y 634 empalmes con alambre. 1.2.2.4.7 Métodos de Interconexión Una vez que sobre el sustrato se han colocado las pastillas de los elementos circuitales, las conexiones eléctricas deben efectuarse por lo general de las pastillas a la metalización del sustrato. La mayoría de los diseñadores de híbridos intentan efectuar tantas conexiones eléctricas de éstas como sea posible durante el montaje de los elementos de la pastilla. Evidentemente, con el empleo de técnicas como las de pastillas reversibles (o invertidas), pastillas de amortiguación 47 o dispositivos semiconductores por conexionado con vigas conductoras es posible elaborar un híbrido completo sin operaciones adicionales de interconexión. La energía para efectuar las interconexiones con alambre proviene de una combinación de factores como la presión y el calor, la resistencia mecánica del silicio establece el límite superior para la presión; ya que ésta no basta para formar la unión, es necesario agregar calor. Este puede obtenerse calentando todo el híbrido, calentando la herramienta de empalme, o empleando energía ultrasónica. Los empalmadores de mayor uso en la actualidad para la construcción de híbridos son los termosónicos, en los que se combina la presión, una etapa de calentamiento para el híbrido y una herramienta de empalme ultrasónico. El empalmador termosónico se emplea para el alambre de oro, que es el material predominante para empalmes de alambre en híbridos, debido a que los parámetros de empalme para el alambre de oro no son tan críticos como los del aluminio. Los empalmadores ultrasónicos se emplean para empalmar alambre de aluminio. Para hacer empalmes fiables con alambres es necesario contar con una superficie limpia. Recientemente se ha demostrado que es efectiva una limpieza a base de plasma suave con argón o una mezcla de oxígeno y argón antes de la operación de empalme. 1.2.3 GENERADORES DE ONDAS 1.2.3.1 OSCILADORES Los osciladores son circuitos cuya salida es una señal periódica. La salida de un oscilador puede ser una señal sinusoidal o no sinusoidal, por ejemplo, una onda cuadrada o triangular. En esta sección se analizan diversos tipos de osciladores sinusoidales y no sinusoidales. 48 1.2.3.1.1 Tipos de Osciladores Osciladores sinusoidales “Varias configuraciones de circuitos producen salidas sinusoidales incluso sin la excitación por una señal de entrada. También pueden ocurrir oscilaciones en un sistema de retroalimentación negativa. Cuando se conectan varias etapas de amplificación formando una retroalimentación negativa, los efectos reactivos en torno al ciclo pueden generar un desfasamiento extra de 180°, lo que transforma la retroalimentación negativa en positiva y puede provocar oscilación. Se utilizan circuitos compensadores para evitar estas oscilaciones. En este caso, la amplitud de la oscilación de salida aumentará al principio. El aumento de amplitud está limitado por la no linealidad del dispositivo activo asociado con el amplificador A. La oscilación puede ser iniciada por un voltaje transitorio que se genera al activar la fuente de energía o bien por la presencia de ruido. Aquí se describen algunos circuitos osciladores sinusoidales. Osciladores no sinusoidales La salida de un oscilador no sinusoidal puede ser una onda de forma cuadrada, de pulso, triangular o en diente de sierra. Esta onda de forma puede ser generada por amplificadores operacionales, comparadores, integradores, diferenciadores y los circuitos asociados. El límite superior de velocidad utilizable es determinado por el tiempo de respuesta de los dispositivos activos que se utilizan en el circuito. Oscilador de desfasamiento Un oscilador, en términos generales, requiere retroalimentación positiva en la cual la señal de salida es enviada de regreso en fase para mantener la entrada. La etapa de emisor común proporciona una inervación de fase de 180º entre la señal de entrada en su base y la señal de salida en su colector. La red de desfasamiento RC de tres etapas proporciona un desfasamiento extra de 180º, que cumple la condición de ángulo de fase para la oscilación. 49 1.2.3.1.2 Estabilidad de los Osciladores “Un oscilador se considera estable si su amplitud y su frecuencia de oscilación se mantienen constantes durante la operación. Cuando aumenta la amplitud de la señal de salida, el dispositivo activo reduce la ganancia al valor que se requiera. Para que haya buena estabilidad, el cambio en la ganancia con la amplitud del voltaje de salida debe ser grande, y un aumento en la amplitud debe provocar que disminuya la ganancia. Esto es, ΔA/ΔVo debe ser un número negativo grande para que un oscilador sea estable.”5 1.2.3.2 GENERADORES DE ONDAS CUADRADAS Este circuito se conoce asimismo como multivibrador estable o autónomo debido a que tiene dos estados cuasi estables. Figura 1.25 Generador de ondas cuadradas Diagrama del circuito / forma de onda de salida Es decir, la salida V0 permanece en un estado un tiempo T1 y después cambia abruptamente al segundo estado por un tiempo T2. En consecuencia, el período de la onda cuadrada es T = T1 + T2. 5 Usategui A; Microcontroladores PIC; Tercera Edición, Ediciones McGraw-Hill, Madrid, 2003, 357 págs 50 1.2.3.3 GENERADORES DE PULSOS Las ondas de forma de pulsos suelen utilizarse en aplicaciones de cronometraje y muestreo. En la figura 1.26 a la de onda cuadrada el resistor R4 del ciclo de retroalimentación negativa de la figura 1.26 (izq) se sustituye por una red de diodos de resistencia. Cuando la salida es positiva, D1 conduce y el capacitor C se carga a través de R41., cuando la salida es negativa D2 conduce y el capacitor C se encarga de R42. Si R41< R42, entonces T1