Electrónica Automotriz

I

[mA]

60 ELECTRÓNICA Automotriz Diodo de polaridad directa Punto de conductividad del diodo

40 20

0.2

0.4

ELECTRÓNICA 0.6

0.8

1.0

Volt

Automotriz

.

ELECTRÓNICA Automotriz

PREFACIO Este manual de entrenamiento y servicio ha sido preparado para los técnicos de los Servicio Autorizado para familiarizarlos con la electrónica básica del vehículo. Es nuestra intención aumentar el nivel de destreza y conocimiento del personal de servicio para permitir el diagnóstico de los problemas efectiva y eficientemente, facilitando el diagnóstico y la reparación.

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ELECTRÓNICA Automotriz

CONTENIDOS

1. Generalidades

4

8. Termistor

42

2. Composición / esencia de electricidad...................

5

8.1 Tipo NTC.......................................................... 42

3. Conductor & no conductor

6

8.2 Tipo PTC.........................................................

43

4. Semiconductores

8

9. Celda Fotoconductiva........................................

44

4.1 ¿Qué es un semiconductor ……………………….. 8

10. Elemento Piezo-eléctrico

46

4.2 Material del semiconductor...................................

9

11. Efecto Hall............................................................ 47

4.3 Clasificación de los semiconductores.................... 10

12. Circuito Integrado ………………………………… 49

5. Diodos……….………………………………………….14

12.1 Generalidades del Circuito Integrado………….49

5.1 Generalidades de los Diodos…………………….. 14

12.2 C.I Análogo...................................................... 50

5.2 Uso de Diodos & Simbología………….…............ 14

12.3 C.I. Digital………………………………………. 51

5.3 Operación de Diodos…….................................... 15

12.4 Diferentes circuitos lógicos……………………. 52

5.4. Características del diodo...................................... 17

13. Microcomputador…………………………………

57

5.5 Operación del Diodo Rectificador……….............. 18

14. Comprender el circuito electrónico.................

5.6 Ejemplo del uso de diodos en el automóvil….........20

APENDICE ……..………………………………………. 65

61

5.7 Método de chequeo de diodo usando multímetro. 22 6. Diodos especiales de tipo semiconductor…......

24

6.1 Diodo Zener………………………………………… 24 6.2 Foto diodo…………………………………………… 26 6.3 LED (Diodo Emisor de Luz).................................. 27 7. Transistor…… ………………………………………… 29 7.1 ¿Qué es un transistor? ……………………………. 29 7.2 Operación Básica de un transistor....................... 30 7.3 Análisis de un transistor bueno/malo......................39

1. Generalidades Hoy en día en el automóvil, existen campos de aplicación esenciales que utilizan la electricidad y la electrónica, iniciándose con el simple uso de un interruptor ON/OFF de un foco hasta dispositivos del sistema de control del motor (EMS), sistema de frenos antibloqueo (ABS), sistema de control de tracción (TCS), sistema de airbag, sistema de instrumentos, sistema electrónico de la carrocería .

ELECTRÓNICA Automotriz (BCM), etc., requiriendo el uso de un microcomputador. Debido al uso de muchos equipos eléctricos sofisticados y partes electrónicas, aparecen también muchos defectos electrónicos en comparación a los defectos mecánicos tradicionales, como causas de problemas en el automóvil. El conocimiento y aprendizaje básico de electricidad y electrónica aparecen como una exigencia adicional para el servicio y mantención del automóvil. Esperamos que esta sea la oportunidad para entender los principios básicos y aprender como ellos se aplican en el automóvil, sin considerar la complicada estructura o cualquier teoría académica. Se espera que sea una pequeña ayuda en una mantención más eficiente y la reparación de los problemas.

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2. Composición y esencia de la electricidad La materia está compuesta de moléculas, las cuales a su vez están compuestas químicamente de átomos. Ejemplo: molécula de agua (H2O) = dos átomos de hidrógeno (H2) + un átomo de oxígeno (O) Orbita M Electrón

Orbita K

Protón Neutrón

Núcleo Atómico Orbita L

Modelo del Atomo Como se muestra en la figura de arriba, los electrones están girando rápidamente alrededor del núcleo en conformidad con las órbitas respectivas, como la tierra y los planetas están girando alrededor del sol. Sólo ciertos números de electrones pueden existir en cada órbita (K: 2, L: 8, M: 18,...) mientras que cada elemento tiene un número característico de electrones (por ejemplo: hidrógeno 1, carbono 6, oxígeno 8,...). Generalmente, el núcleo tiene electricidad positiva (+) y el electrón tiene electricidad negativa (-), estos dos tienen características de atracción mutua, por lo que el átomo se mantiene eléctricamente neutro (cantidad de electricidad positiva = cantidad de electricidad negativa). Debido a la fuerza de atracción del núcleo atómico que va hacia los electrones de la órbita más externa (valencia de electrones) es el más débil, estos electrones se escapan fácilmente desde la órbita con estímulos externos (calor, electricidad, luz....) moviéndose a otras órbitas.

Estos

electrones que salieron de la órbita, son llamados electrones libres, los cuales son la esencia de la electricidad. El movimiento de estos electrones libres produce directamente la corriente eléctrica. Esto significa que el movimiento que iniciaron estos electrones libres corresponde al flujo de corriente eléctrica.

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3. Conductor y no conductor La materia se clasifica eléctricamente y puede dividirse en conductores, que transmiten la electricidad y no conductores que no transmiten bien la electricidad, además de los semiconductores con características intermedias, estando estas determinadas por la configuración electrónica de acuerdo a la estructura del material. 1) Conductor : donde la electricidad fluye bien Aquí se encuentran la mayoría de los metales, los electrones libres pueden moverse bien en el interior del material. El orden de una buena conductividad de electricidad es: Plata  Cobre  Oro  Aluminio  Tungsteno Zinc  Níquel .... 2) No conductor : donde la electricidad no fluye bien Es llamado aislante, los electrones libres se generan fácilmente, por ejemplo: cerámica, vidrio, goma, plástico, madera, etc . 3) Semiconductor : tiene las características medias entre el conductor y el no conductor. Entre estos están el silicio (Si), germanio (Ge), selenio (Se) etc . los que son usados como materia prima de la parte electrónica.

 El cableado del automóvil del tipo de alambres multiples está recubierto por una funda, donde el cobre (aleación) es principalemte usado como el material conductor. El grosor del alambre está determinado por la cantidad de corriente eléctrica, carga, continuidad, temperatura, etc. Mientras mayor es la corriente eléctrica, mayor será el tiempo de flujo de electrones y de mayor espesor debe ser el cable eléctrico. Tabla de Especificaciones Generales Diámetro

N° de

Diámetro

Corriente

del

alambr

exterior

permisible

alambre

es

del cable

(A)

0.5

0.32

7

2.2

9

0.85

0.32

11

2.4

12

1.25

0.32

16

2.7

15

2

0.32

26

3.1

20

3

0.32

41

3.8

27

5

0.32

65

4.6

37

8

0.45

50

5.5

47

15

0.45

84

7.0

59

20

0.8

41

8.2

84

Area (mm2)

0.32 mm

0.5 mm2 (Corriente eléctrica permisible = 9 A)

2.2 mm

.

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4. Semiconductor 4.1 ¿Qué es un semiconductor? En la materia, hay conductores donde la corriente eléctrica fluye con facilidad, y no conductores donde es difícil que el flujo de corriente.

El semiconductor denota un material de mediana

propiedad entre el conductor y el aislante. Particularmente, en este, la corriente eléctrica no fluye con facilidad como en el conductor, ni difícil como en el no conductor. El semiconductor es un material que tiene ciertas propiedades eléctricas, por lo tanto el semiconductor es un material que tiene características medias entre el conductor y el no conductor.

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4.2 Material del Semiconductor La resistencia específica del cobre usado como conductor eléctrico es de 10-6Ωcm (la más baja) y la resistencia específica del Ni-Cr usado como cable eléctrico es de 10-4Ωcm, estos materiales son llamados conductores, porque conducen la electricidad con facilidad. Si la resistencia específica es más de 1010Ωcm entonces se puede conducir muy poca electricidad, de manera que este material es usado como aislante. El material entre el conductor y aislador, que no pertenece a los materiales conductores ni a los no conductores, reciben el nombre de semiconductores, entre los que están el germanio y el silicio, los que son utilizados en la fabricación del diodo y el transistor.

Estado

Conductor

Resistencia específica

Material

10-6

Plata, Cobre

10-4

Platino Cromo Níquel Electrodo de carbón

10-2 Pirita 1 Los

Semi conductor

Germanio 102 Silicio

No conductor

104 106 108

Dióxido de cobre

1010

Baquelita

1012 1013

Mica , diamante

1014 1015

Cristal

1016 1018

Cristal de Cuarzo

Semiconductores juegan el rol de conductores o no conductores de acuerdo a la condición específica (relación entre el voltaje, corriente eléctrica, temperatura, etc.). Los elementos principales que se utilizan comúnmente usados son el silicio (Si) y el germanio (Ge), algunos semiconductores de alta pureza son llamados intrínsecos. El silicio y el germanio respectivamente tienen cuatro electrones en la órbita más externa. Particularmente, en su estructura de cristal, cada átomo comparte sus propios cuatro electrones con .

ELECTRÓNICA Automotriz su átomo par. Debido a tal enlace covalente, el material es un aislador eléctrico y tiene un valor de utilización eléctrica bajo, de modo que no puede ser usado independientemente como semiconductor. Por lo tanto, es usado como semiconductor agregando una pequeña cantidad de impurezas, en forma proporcional a otros elementos del átomo. 4.3 Clasificación del semiconductor El Semiconductor está mayoritariamente constituido de dos formas. Está el semiconductor intrínseco que no contiene impurezas en el material de cristal y el semiconductor que se le agregan impureza de materias específicas al interior del semiconductor intrínseco para mejorar la conductividad. Generalmente el diodo y el transistor pertenecen al tipo de semiconductor con impurezas. Este semiconductor con impurezas se clasifica de acuerdo a rol del material añadido como impureza, en dos tipos. El material agregado como impureza aumenta en el semiconductor el número de: -

Electrones libres dentro del semiconductor

-

Huecos dentro del semiconductor

Por lo tanto los semiconductores que añaden impurezas para aumentar el número de electrones libres son llamados semiconductores de tipo negativo, mientras que aquellos que añaden impurezas para aumentar el número de huecos son llamados semiconductores tipo positivo. Bloque externo de la �bita

S

i Si

S

i

S

i

S

i

S

i <Estructura del �omo de Silicio>

4.3.1 Semiconductor Intrínseco  El semiconductor intrínseco no contiene ningún material impuro en su estructura de cristal.  La pureza del semiconductor intrínseco es refinada en alrededor de 99.999999999 %  El Germanio y el Silicio pertenecen a este tipo. 4.3.2 Semiconductor de Impurezas  Este semiconductor agregada materiales de impureza específica dentro del semiconductor .

ELECTRÓNICA Automotriz intrínseco para mejorar la conductividad.  Los semiconductores comunes como el diodo o transistor pertenecen a este tipo de semiconductor.  Clasificación de semiconductores de impureza a. El semiconductor tipo N agrega impurezas para aumentar el número de electrones libres en el semiconductor. b.

El semiconductor tipo P agrega impureza para aumentar el número de huecos en el semiconductor.

1) Semiconductor tipo P Es fabricado agregando algunos materiales que tienen tres electrones de valencia (Ga : galio; In : galio; B : boro) en el semiconductor intrínseco. Aunque el silicio tiene un electrón de cuatro capas externas, si estos dos tipos de materiales se encuentran entre ellos, entonces el átomo de silicio desde estos dos tipos de átomos, no pueden compartir un electrón, de modo que la corriente eléctrica puede fluir mas fácil, mientras que este espacio disponible en el octeto es llamado hueco. Por lo que recibe el nombre de semiconductor tipo P (positivo) porque asume la electricidad positiva (+) por deficiencia de electrones. Cuando se aplica voltaje, el electrón llena el espacio hueco, por lo que el hueco se mueve continuamente hacia abajo; la corriente eléctrica entonces fluye a través del hueco en el semiconductor tipo P.

Hueco Estructura de tipo del Semiconductor 밣� 2) Semiconductor tipo N Es fabricado agregando materiales que tiene cinco capas externas de electrones ( P : fósforo; As : arsénic o ; Sb : antimonio) en el semiconductor intrínseco. Si el elemento de valencia 5 es agregado como unión con el silicio, entonces un electrón permanece como exceso en el octeto, por lo tanto la conductividad eléctrica puede ser realizada más fácilmente mediante la actividad de este electrón libre. Es llamado semiconductor tipo N (negativo) porque asume la electricidad negativa (-). La corriente eléctrica fluye mediante el electrón en el semiconductor tipo N (portador: electrón ) . .

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Electr� Libre

Estructura del semiconductor tipo “N”

3) Enlace P-N Si el semiconductor tipo P y el semiconductor tipo N se unen químicamente unidos entre sí, habrá una porción del portador donde no existen huecos, mientras que los electrones libres se enlazarán en la parte angosta de la superficie de unión. Esta superficie de unión es llamada barrera iónica mientras que el semiconductor enlazado así es llamado semiconductor de enlace PN o diodo. De acuerdo a esto, existe carga eléctrica de distinta polaridad entre ellos en ambos lados de la barrera iónica y allí se genera una pequeña cantidad de diferencia potencial eléctrica, la cual es llamada barrera potencial eléctrica.

P

N

Electr� Hueco

Barrera I�ica

.

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5 Diodo (Diodo para circuito rectificador) 5.1 Diodo general Diodo es la parte sustancial del semiconductor donde la corriente eléctrica fluye siempre en una sola dirección.

Es decir, un semiconductor es llamado así porque tiene intrínsecamente este tipo de

propiedad. Aunque el transistor es también un tipo de semiconductor, el diodo específicamente da a entender que la corriente eléctrica fluye siempre en una sola dirección.

El silicio como material

semiconductor es el utilizado, además del germanio y el selenio para este mismo propósito.

C�od

5.2 Usos del diodo y símbolos de representación La función principal del diodo es rectificar la corriente eléctrica para que fluya siempre en una sola dirección. Pero es usado también en muchas otras funciones, estas funciones principales pueden resumirse como sigue: - Utilizado como rectificador de corriente eléctrica para cambiar la corriente alterna en corriente continua en instalaciones de suministro eléctrico. - Se usa como detector para sacar la señal desde la frecuencia de radio - Usado como conmutador de control de corriente eléctrica ON/OFF - Prevenir el flujo de corriente inversa - Usado como protector de circuitos Además es usado en un amplio rango de variedades de acuerdo al tipo de diodo y uso.

Ánodo Símbolo del Diodo

Cátodo Polaridad del diodo

5.3 Funcionamiento del Diodo § Diodo de avance para la polarización directa § Diodo de avance para polarización inversa 5.2.1 Polarización directa del diodo El diodo tiene terminales conectados en ambos lados del semiconductor de enlace P-N, el que .

ELECTRÓNICA Automotriz posee características para que la corriente eléctrica siempre fluya en una sola dirección. En dirección de avance como se muestra en la figura, si el voltaje positivo (+) es aplicado en el semiconductor tipo P y el voltaje negativo (-) es aplicado en el semiconductor tipo N, el hueco y el electrón repelen la fuente eléctrica, por lo tanto la barrera potencial eléctrica disminuye y también se reduce la barrera iónica. En consecuencia, el hueco y el electrón pueden moverse entre ellos a través de la superficie de enlace. De acuerdo a esto, la corriente eléctrica fluye por el movimiento del hueco y el electrón. Barrera iónica

Flujo de corriente

P

N

<Se produce suministro voltaje directo / Flujo de corriente eléctrica>

Circuito del diodo de avance La lámpara se enciende porque ha sido conectado en dirección de avance en el circuito.

Ánodo (＋)

Cátodo (－)

Luz ON Batería

.

ELECTRÓNICA Automotriz 5.2.2 Polarización inversa del diodo Esta vez conectamos en dirección inversa, el voltaje negativo (-) al semiconductor tipo P y el voltaje positivo (+) al semiconductor tipo N. Entonces el hueco del semiconductor tipo P es atraído al lado negativo (-) del suministro eléctrico, mientras que el electrón del semiconductor N es atraído al lado positivo (+) del suministro eléctrico. En consecuencia la barrera de potencial eléctrico aumenta y de acuerdo con esto la barrera iónica se amplia impidiendo el movimiento entre los dos tipos de semiconductores. Como resultado, la corriente eléctrica no fluye.

Barrera iónica

No hay flujo de corriente

P

N

< Se produce suministro de voltaje inverso / La corriente eléctrica no fluye >

Circuito en dirección inversa del diodo La luz se apaga porque el diodo ha sido conectado en dirección inversa en el circuito.

Cátodo (－) Batería

Ánodo (＋)

Luz OFF

.

ELECTRÓNICA Automotriz 5.4 Característica del diodo Se puede apreciar que, si el voltaje directo se incrementa gradualmente desde 0V, la corriente eléctrica fluye abruptamente si alcanza un cierto voltaje. Particularmente, la corriente eléctrica sólo fluye si el voltaje aplicado es de alrededor de 0.6~0.7 V (Diodo de Ge: 0.3~0.4 V). Si se aplica voltaje inverso, la corriente eléctrica no fluye hasta un cierto valor de voltaje, pero fluye abruptamente sobre este valor de voltaje. El Voltaje en este instante es llamado voltaje de ruptura. Particularmente, el diodo se rompe, si es conectado en dirección inversa y se aplica un voltaje por sobre el voltaje de ruptura. ID (mA) Direcci� de avance

Voltaje de ruptura VD (Volt) Silicio: 0.6~0.7 volt Direcci� inversa Curva caracter�tica del diodo

Características de Voltaje-Corriente Gráfico de Voltaje-Corriente directa característico del diodo: Flujo de corriente en el diodo al aplicar voltaje. Cuando el voltaje de polarización directa es aplicado bajo 0.7 V → fluye micro corriente: el diodo no opera. Cuando en polarización directa se aplica el voltaje del umbral, 0.7V → la corriente de operación del diodo fluye: el diodo funciona

Características de voltaje del diodo de Silicio de polaridad directa

5.5 Funcionamiento del Diodo Rectificador .

ELECTRÓNICA Automotriz Una señal de corriente alterna puede ser rectificada en corriente continua usando las características del diodo para que la corriente eléctrica fluya siempre en una sola dirección. El circuito rectificador se puede clasificar principalmente en circuito rectificador de media onda y circuito rectificador de onda completa. 5.5. 1 Circuito de rectificador de media onda Cuando se aplica corriente alterna al circuito, cuando se produce la señal del lado positivo (+), la corriente eléctrica fluye en dirección directa, pero en el momento en que se produce la señal de lado negativo (-), la corriente eléctrica no fluye porque se convierte en corriente de dirección inversa. En este tipo de circuito, la corriente eléctrica fluye solo hacia un lado y es llamado circuito de rectificador de media onda.

Volt Diodo

Voltaje de entrada

A.C

IR

Voltaje de salida

A.C Tiempo

Voltaje de Entrada

R VR = D.C Volt

D.C Tiempo

Voltaje de salida

Rectificador de Media Onda

5.5.2 Circuito rectificador de onda completa .

ELECTRÓNICA Automotriz Cando se aplica corriente alterna al circuito, la corriente eléctrica fluye positiva (+) a través de D1 y D4 durante medio período del ciclo de la señal de corriente alterna, mientras que la corriente fluye a través de D2 y D3 durante el medio período negativo (-). En este tipo de circuito la corriente eléctrica fluye en ambos medios períodos y corresponde al circuito rectificador de onda completa. ( *Aunque aquí particularmente, es representado un recitificador de onda completa usando un puente, hay también un circuito rectificador de onda completa usando la tapa central del transformador, el circuito rectificador de doble voltaje, etc . )

Circuito del Puente Rectificador de Onda Completa

.

ELECTRÓNICA Automotriz 5.6 Ejemplos del uso de diodos en el automóvil Rectificador del alternador El voltaje AC generado en la bobina del estator es transformado en voltaje de DC a través del diodo. Voltaje de A : DC 13.7 volt Voltaje de B: Voltaje AC Pick-a-Pick 13.7 volt × 2 = 27.4 volt Voltaje AC Pick-a-Pick de B es producido solo en el +, después de pasar el diodo, de modo que sólo la mitad del voltaje (24.7V) es producido. Particularmente el voltaje AC después de pasar el diodo es producido de acuerdo con la disminución de voltaje.

.

ELECTRÓNICA Automotriz  Diodo instalado en el relé para evitar la sobre tensión

A B A

C Batería

M

Motor

Relé

Controlador

1) Si el transistor de potencia del controlador es puesto en ON, el relé se activa. 2) El motor opera cuando el relé se activa. 3) Cuando el transistor de potencia es puesto en OFF en el controlador, se genera instantáneamente una sobre tensión, de alrededor de 80 voltios, entre A y B de acuerdo a la ley de Lenz, de modo que se produce voltaje +. 4) Si esta sobre tensión de 80 voltios fluye en el controlador, este se puede dañar. 5) Para evitar este problema, se instala el diodo en el relé, de modo que la sobre tensión generada entre A ~ B se desvía en dirección desde A hacia C a través del diodo para ser extinguida evitando el daño al controlador.

 Conexión del diodo en dirección directa y en dirección inversa en un circuito eléctrico. Conexión con polaridad directa Ánodo (＋)

Batería

Cátodo (－)

Luz ON

Conexión con polaridad inversa Cátodo (－)

Batería

Ánodo (＋)

Luz OFF

5.7 Método de revisión del diodo utilizando el multímetro .

ELECTRÓNICA Automotriz Si hemos entendido que el diodo es un semiconductor de enlace PN, donde la corriente eléctrica puede fluir con dirección directa, pero no podrá fluir en caso de dirección inversa, podemos juzgar si está bueno o malo de acuerdo a lo siguiente: 5.7.1 Cómo verificar usando un multímetro digital 1) Seleccionar el modo de chequeo de diodo o resistencia con el selector del medidor digital. 2) Esta normal si el valor de la resistencia es pequeño cuando el cable rojo se conecta al ánodo del diodo (+) y el cable negro al cátodo (-). 3) Estaría bien si el valor de la Resistencia es muy alto cuando se conecta inversamente. ① Condición de corte: si el valor esta cerca de 0 cuando se mide la dirección directa y en dirección inversa. ② Condición Abierto: si el valor está cerca de  infinito cuando se mide en dirección directa y en dirección inversa. Condición Normal cuando se verifica usando el multímetro digital

Ánodo

++ 400 Ω

Cátodo

Cátodo

- －

-

Ánodo

+

∞Ω Terminal de prueba Rojo

Terminal

Terminal

de prueba

de

Rojo

prueba

Terminal de prueba negro

negro

Resistencia: ∞ Ω

Resistencia: ≒ 400 a 800 Ω

6. Diodos Especiales de Tipo Semiconductor Los diodos son usados para gran un número de propósitos. La rectificación de Voltaje, la regulación y aún en la producción de luz son algunos de los varios usos. Los siguientes son una breve muestra de los tipos de diodo que usted podría encontrar. 6.1 Diodo Zener 1) Símbolo del diodo Zener Cátodo (－)

Ánodo (＋)

.

ELECTRÓNICA Automotriz

2) Características del diodo Zener Cuando el diodo es polarizado en forma parcial, actúa como diodo inverso o interruptor cerrado. Sin embargo, el diodo Zener tiene cualidades únicas de polaridad inversa que lo hacen diferente del diodo típico. El diodo Zener tiene polaridad inversa en diferentes voltajes. La cantidad de voltaje requerido para la polaridad inversa varía de acuerdo al diodo zener seleccionado. Algunos voltajes típicos de polaridad inversa son 2.4V, 5.1V, 6.0V, 9.1V, 12.0V, etc. En este punto, cuando el voltaje aplicado aumenta, la corriente directa aumenta. Esta pequeña corriente inversa fluye hasta que el diodo alcanza el punto de ruptura, V2 en la figura. En el punto de ruptura, el diodo zener es capaz de mantener un voltaje constante cuando la corriente varía sobre cierto rango. Debido a este atributo, el diodo provee excelente regulación de voltaje.

3) Uso del diodo Zener El diodo zener es un dispositivo electrónico que puede ser usado como regulador de voltaje. 4) Ejemplos del diodo zener utilizado en circuitos - Voltaje de ruptura del diodo Zener inferior a 12 V. - El suministro de voltaje al controlador a través de C1 en el circuito nunca excederá 12 V. - Si el suministro de voltaje excede 12V, entonces está conectado a tierra a través del diodo .

ELECTRÓNICA Automotriz zener. Debido a que la corriente es descargada a tierra cuando el voltaje superior a 12V, ningún voltaje superior a 12V es suministrado al controlador.

C1

Suministro de Voltaje

R1

R3 R4

Controlador

Condensador

ZD 12Volts

TR R2 Tierra Tierra

.

ELECTRÓNICA Automotriz 6.2 Foto diodo 1) Símbolo del foto diodo

Cátodo (－)

Ánodo (＋)

2) Características del foto diodo La corriente eléctrica fluye si la superficie del enlace PN es iluminada bajo ciertas condiciones, donde un voltaje es aplicado en dirección inversa. Si la cantidad de irradiación de luz cambia, la corriente eléctrica también cambia en proporción a la cantidad de luz. La barrera de potencial eléctrico es construida en la superficie del enlace PN y aumenta si el voltaje inverso es aplicado, de modo que se convierte totalmente en un aislante. Si la luz ilumina la superficie del enlace PN bajo esta condición, el cambio se produce sobre la superficie del enlace. El electrón y el hueco son activados por la energía de la luz externa a lo largo del Ion positivo (+) en el área de lado N y el Ion negativo (-) en el área de lado P. El hueco y el electrón libre separados de sus respectivos iones se mueven a lo largo del semiconductor, por lo tanto la corriente eléctrica comienza a fluir. Este diodo es usado en circuitos de transformación de electricidad. Por consiguiente si el voltaje se mantiene constante, la corriente eléctrica que fluye en el circuito es proporcional a la cantidad de luz recibida en el elemento. 3) Ejemplo de un circuito que usa foto diodo - El foto diodo esta conectado en dirección inversa en el circuito. - Si se irradia luz en el foto diodo y se suministra voltaje de la batería, la luz se enciende. - Este diodo es muy usado como circuito de conmutación.

Foto Diodo Batería 12 voltios

Luz

Circuito del Foto Diodo

.

ELECTRÓNICA Automotriz 6.3 LED (Diodo emisor de luz) 1) Símbolo del Diodo Emisor de Luz

Cátodo (－)

Ánodo (＋)

2) Características del diodo emisor de luz Este diodo se ilumina cuando la corriente eléctrica fluye aplicándole voltaje directo en el diodo de enlace PN. Sus características son las siguientes: - Tiene mayor vida útil y el consumo de energía eléctrica es más pequeño en comparación con la luz eléctrica incandescente. - La respuesta es más rápida. - Se ilumina aún con poco voltaje de 2 ~ 3V. - El consumo de energía es pequeño (alrededor de 0.05 W ) , - La respuesta de encendido y apagado es rápida (una millonésima de segundo). - Como color de iluminación, están el rojo, verde, amarillo, etc., de acuerdo al material del semiconductor. 3) Ejemplo de un circuito que usa Diodo LED - Si se cierra el interruptor en el circuito indicado abajo, la corriente eléctrica fluye de modo que el LED se ilumina. - El rol de la resistencia es producir una caída de voltaje, para producir un voltaje de 3V en el LED.

LED

9 Volt. 3 Volt

Interruptor

Bater�

Circuito del Diodo LED

.

ELECTRÓNICA Automotriz 4) Pantalla del computador de viaje usando LED

7. Transistor 7.1 ¿Qué es un transistor? El transistor tipo PNP es aquel donde un semiconductor delgado tipo N en un cristal semiconductor se ha insertado entre dos semiconductores tipo P. Mientras que el transistor tipo NPN es aquel donde un semiconductor delgado tipo P ha sido insertado entre dos semiconductores tipo N. En la configuración de los símbolos del semiconductor, la letra E indica el terminal del Emisor, la letra B indica el terminal de la Base y la letra C indica el terminal del Colector. Simbología y tipos de Transistores

El transistor según la asociación de los semiconductores, son de tipo PNP y tipo NPN. El nombre del transistor es anexado según el uso y tipo. 2SA××× ----- Transistor de tipo PNP para alta frecuencia 2SB××× ----- Transistor de tipo PNP para baja frecuencia 2SC××× ----- Transistor de tipo NPN para alta frecuencia 2SD××× ----- Transistor de tipo NPN para baja frecuencia

D: Transistor NPN para baja frecuencia

.

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Tipo P Colector (C)

Tipo N

Tipo N

Tipo N Emisor (E)

Colector (C)

Tipo P

Base (B)

Colector (C)

Tipo P

Emisor (E)

Base (B)

Emisor (E)

Colector (C)

Base (B)

Base (B) Estructura del Transistor tipo NPN & S�bolo

Emisor (E)

Estructura del Transistor PNP & S�bolo

7.2 Funcionamiento Básico del Transistor 7.2.1 Operación Básica del transistor tipo NPN Este tipo se conecta en forma opuesta al del tipo PNP; como se muestra en la figura inferior, unos pocos huecos son proporcionados desde el polo positivo de la fuente eléctrica, de modo que estos producen una pequeña porción de corriente base I B. Los electrones que provienen desde el emisor no han sido capaces de unirse con los huecos de la base para moverse hacia el lado del colector, debido al VCB del lado del colector estos producen la corriente IC. Normalmente el 95~98 % entre la corriente del emisor IE llega a IC pero el resto, 2 ~5 %, llega a IB. .

ELECTRÓNICA Automotriz

Tipo NPN Colector(C)

Emisor (E)

Ib [uA]

Corriente Base (B) Corriente Ib

Vbe

Vcb

Transistor NPN de polaridad directa: El electr� del emisor se mueve mayoritariamente hacia el Colector

Ic [mA]

7.2.2 Operación Básica del transistor tipo NPN Si el voltaje continuo VBE se aplica entre el emisor y la base, la barrera potencial eléctrica en el enlace PN disminuye. En el emisor del lado P, muchos huecos se generan porque la concentración de material con impurezas se fortalece.

En la base de lado N, debido a que es muy delgada, la

concentración del material de impurezas es más débil, ya que sólo hay unos pocos electrones. Los huecos en el emisor que cruzan sobre la barrera de potencial eléctrico y entran al lado de la base por difusión, desaparecen en el enlace con una parte de los electrones de la base. Pero debido a que estos pocos electrones están continuamente alimentados por la fuente eléctrica de polo negativo “-“, se produce una pequeña corriente de base IB. Si el voltaje inverso VC B es aplicado entre la base y el colector, la barrera de potencial eléctrico es incrementada en la superficie de enlace PN de modo que la corriente eléctrica no fluye entre la base y el colector. Los huecos que no podrán unirse con los electrones, pero como provienen desde el emisor, ahora se mueven hacia el lado del colector debido a la VCB del lado del colector. Estos producen la corriente I C del colector. Los huecos del emisor son suministrados gradualmente desde el polo positivo, de modo que producen la corriente Ic del emisor. La mayor parte de IE llega a IC, no obstante una muy pequeña porción se genera como corriente IB de base. 7.2.3 Función de amplificación del transistor Como ya hemos descrito en la sección “Funcionamiento Básico”, la mayoría de los electrones (no menos de 95%) se mueven hacia el colector, pero sólo unos pocos electrones (no más del 5%) se juntan con los huecos de la base. De modo que la dirección de la corriente eléctrica y la corriente de electrones se definen comúnmente como corrientes opuestas, donde la corriente del emisor I E es dividida en corriente I C del colector y corriente base I B , la siguiente ecuación sostiene que:

.

ELECTRÓNICA Automotriz

IE = IB + I C

I E  I B  IC

De esta forma, la corriente alta del colector puede ser deducida desde una pequeña corriente de base, por lo tanto para se llama amplificación de corriente eléctrica, mientras la relación (razón) entre I B e I C son llamadas factor de amplificación de corriente eléctrica. (h F E ).

Ejemplo de cálculo, si I B es 1 mA y I C es 100 mA entonces h F E es 100. Particularmente significa que un transistor que puede amplificar la señal de entrada cien de veces.

( * la relación de

amplificación de corriente eléctrica del transistor varía de acuerdo al uso, tipo, etc.)

hFE=100

I 100 hFE  C ,   100 IB 1

C B E

Ic=100mA

Ib=1mA

Ahora, ¿Cómo se usa el transistor?; hay tres métodos de conexión a tierra, la tierra del emisor, la tierra de la base y la tierra del colector, entre los cuales la tierra del emisor, como la del circuito de arriba, es la más usada. Salida

C B

Entrada (Ib=uA)

E Entrada

Salida (Ic=mA)

.

ELECTRÓNICA Automotriz

Además, la amplificación generalmente se utiliza en componentes de corriente alterna, como se muestra en el siguiente ejemplo: En la figura, si la señal AC es aplicada entre la base y el emisor, la corriente base I B fluye solamente cuando está en dirección de avance (lo mismo que en el diodo). Por consiguiente la corriente del colector I C también aparece como salida mientras está siendo amplificada solamente por media onda. Particularmente, el transistor no opera durante el medio ciclo negativo (-) porque aquí está en dirección inversa entre la base y el emisor. Ahora apliquemos DC entre la base y el emisor. Si la AC es aplicada sobre DC, el componente AC es agregado sobre la corriente DC de modo que aparece como se muestra en la siguiente figura.

El voltaje esta vez es llamado voltaje polarizado. Ahora podemos ver una forma de onda de salida completamente amplificada.

También podemos obtener la forma de onda amplificada de AC

solamente si retiramos el componente DC conectando un condensador en el Terminal de salida. Salida

C

Entrada (Ib=uA)

B Entrada

E

Salida (Ic=mA) Voltaje de polaridad

Para evitar la inconveniencia de usar dos suministros eléctricos debido al voltaje polarizado como en el circuito mostrado, los circuitos reales usan varias formas adecuadas al propósito de cada circuito, como la corriente eléctrica con polaridad de retroalimentación, polaridad fija usando una resistencia, un condensador, etc. en la fuente de suministro de electricidad conectada al terminal de salida.

* Como referencia digamos que hay un área límite, donde la corriente del colector no aumenta, aún cuando la corriente de la base del transistor continúe aumentando, esta recibe el nombre de región de saturación. De acuerdo a esto, la acción de amplificación del transistor se cumple solo en el área .

ELECTRÓNICA Automotriz específica donde la corriente del colector aumenta de acuerdo al aumento de la corriente de la base, la que recibe el nombre de área activa. Hasta aquí, hemos aprendido sobre la amplificación de la corriente eléctrica, pero ahora pensemos en el caso de la amplificación de voltaje. De acuerdo a la explicación anterior, aprendimos que el colector varía proporcionalmente con la corriente base. Pensemos que esto es una resistencia variable para controlar la corriente eléctrica. Entonces pensemos en el siguiente circuito equivalente. E

E

R R

Salida (Eo)

Salida (Eo)

C B

Corriente Ic Corriente Ic

E Corriente de entrada (Ib=uA)

Corriente de salida (Ic=mA)

Voltaje de salida (Eo=E-(Ic*R)

En la condición mostrada arriba, el voltaje de salida de la forma de onda de entrada de la base, se muestra en sentido inverso, como se puede ver en la figura. Esto es explicado como voltaje total E = caída de voltaje entre el colector y el emisor (Eo) + caída de voltaje debido a la resistencia R (Ic × R). Particularmente, si la corriente eléctrica Ic aumenta, la caída de voltaje debido a la resistencia R también aumenta, por lo tanto el voltaje de salida Eo disminuye. (Voltaje de Salida Eo = E – (Ic × R))

.

ELECTRÓNICA Automotriz Ahora veamos los métodos con la base y colector conectado a tierra utilizando el transistor como conmutador. Circuito con la base conectada a tierra El método con la base conectada a tierra corresponde a un tipo de circuito como se muestra en la figura, toma la base como tierra y aplica la señal de entrada al emisor. Salida

E

C

B Entrada

Si no hay diferencia de potencial eléctrico entre el emisor y la base, no hay flujo de corriente en el emisor, pero si fluye la corriente eléctrica en el colector, en este caso el voltaje es aplicado en dirección inversa a través de la resistencia. Si el voltaje directo es aplicado entre el emisor y la base, como se muestra en el circuito de la figura, la corriente del colector puede también fluir a través de la resistencia. En este caso, debido que a la suma de corriente de la base y la corriente del colector es igual a la corriente del emisor, la relación de la corriente del colector al emisor es menor que 1, por lo que la corriente eléctrica no se amplifica. En caso de amplificación de voltaje, si suponemos que 10mA fluyen en el emisor, entonces 1mA y 9mA fluyen en la base y el colector respectivamente, produciéndose la caída de voltaje, a través de la resistencia en el colector que corresponde a la salida. En consecuencia: 9mA × Resistencia [kΩ] = el voltaje de salida, de modo que hay una amplificación de voltaje de salida a partir de la señal de entrada.

Circuito de tierra del Colector El método con conexión del colector a tierra corresponde a un tipo de circuito, como se muestra en la figura, al tomar el colector como tierra, envía la señal de entrada a la base y la salida a través del emisor. En el circuito de conexión del emisor a tierra, la corriente del colector varía enormemente de acuerdo a la corriente de la base, mientras que la variación del valor de la resistencia de carga conectada el .

ELECTRÓNICA Automotriz colector no produce un gran efecto a la corriente eléctrica. Pero en el circuito con el colector a tierra, debido a que el voltaje directo es aplicado entre el emisor y la base para el circuito de salida, la corriente del emisor (desde el colector hacia el emisor) fluye de modo que es aplicado en la resistencia de carga. Por consiguiente, la corriente del emisor es controlada por la pequeña corriente de la base, mientras que la corriente del emisor varía directamente con la variación de carga de la resistencia. Como se menciono anteriormente, aprendimos tres tipos de métodos con conexión a tierra de acuerdo a los terminales usados en común. Entre ellos, el método más usado es el método de conexión a tierra del emisor. Las características anteriores pueden explicarse con la tabla siguiente. .

Características de los métodos de conexión a tierra Circuito con

Circuito con base

Circuito con

emisor a tierra

a tierra

colector a tierra

Alta

Baja

Media

Alta

Medio

Bajo

Alta

Media

Bajo

Impedancia de entrada

Media

Bajo

Alta

Impedancia de salida

Media

Alta

Bajo

Anti-fase

En fase

En fase

Malo

Mejor

Bueno

Ítem Grado de amplificación de corriente eléctrica Amplificación de voltaje Amplificación de potencia eléctrica

Fase de salida a entrada Características de frecuencia alta

Descripción del circuito de amplificación con un transmisor

R1=1㏀

M

Colector

12V

Base

Motor

D235 (NPN TR) Emisor

1~100Ω Resistor variable

.

ELECTRÓNICA Automotriz

Descripción del circuito - La resistencia R1 cambia la alimentación de la base y polaridad del transistor NPN esto es aprobado por el voltaje del emisor hasta 3volt. Además se incorpora una resistencia de servicio - La resistencia variable controla el voltaje polarizado del transistor NPN de 0 ~ 3 voltios - Es decir, la base del transistor y la polaridad del voltaje del emisor son altos, si el valor de resistencia variable es alto. Si es bajo, el voltaje de polaridad también es bajo. - Por lo tanto el flujo de la corriente eléctrica aumenta en el colector y emisor de acuerdo a la polaridad del voltaje. - Por lo tanto, puede controlar el número de giros del motor de acuerdo a la posición de la resistencia variable que controla la corriente eléctrica que pasa a través del motor mediante las diferencias de polaridad del voltaje. I E  I B  IC

hFE 

IC IB

hFE: La tasa de amplificación de la corriente eléctrica, IB: corriente de la Base, Ic: corriente del Colector

7.2.3 Función de conmutación del transmisor En la explicación de la acción de amplificación, aprendimos que si aplicamos electricidad entre el emisor y el colector, fluye corriente de base lb. Particularmente, lo hará si suministramos corriente de base hasta el estado de saturación donde la corriente del colector casi no aumentará. (No obstante en un circuito de amplificación con una señal pequeña o en artefactos domésticos, comúnmente lo que utilizan esta fabricado con la acción de amplificación, no en la región de saturación, pero si en el área activa).

Podemos poner en ON/OFF el circuito entre el emisor y el colector

activando/desactivando la corriente de la base lb. Esto se llama acción de conmutación del transistor entre la acción de amplificación del transistor. Podemos producir la función del relé si se usa la acción de conmutación del transistor como se .

ELECTRÓNICA Automotriz muestra en la figura. Batería Batería Señal entrada ON/OFF

Carga

Señal de entrada ON/OFF

C B

E

Corriente Ic

Carga

Transistor de Conmutación Rel�de conmutaci� La corriente de la base del transistor corresponde a la corriente de excitación del relé de modo que puede actuar como relé sin utilizar el contacto mecánico del este. Si la carga aumenta entonces la corriente eléctrica Ic también aumenta, en tanto que, cuando no podemos suministrar corriente eléctrica por el transistor, podemos usar la amplificación de corriente eléctrica mediante la conexión de transistores multiestado de acuerdo a la capacidad de carga. La acción de conmutación del transistor tiene las siguientes ventajas en comparación con el relé: - Velocidad de conmutación alta (más de miles de veces por segundo). - Operación estable sin ruido de los puntos de contacto del relé cuando conecta/desconecta, porque no hay contacto mecánico. - Es pequeño y con menos consumo de energía eléctrica. - Tiene mayor duración que el relé mecánico.

Descripción del circuito de conmutación del transistor 1. En el circuito de abajo, cuando el interruptor de encendido es puesto en ON, la energía es suministrada a la bobina de encendido. 2. Si el suministramos energía hacia la base de TR de potencia, desde el ECM a través del Pin Nº23 , la corriente eléctrica de la bobina de encendido se descarga a tierra por G11. 3. Nuevamente, el ECM transmite la energía a la base del transistor, la corriente eléctrica de la bobina es interrumpida debido a la conexión entre el colector y el emisor, si se corta esta conexión en la bobina se produce alta tensión.

.

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7.3 Para determinar si el transistor esta bueno/malo Como se puede ver en la figura, estará bien si pensamos que el transistor ha sido conectado con la parte del emisor y la base considerada como diodo de enlace PN y parte de la base y el colector considerado como otro diodo. Colector

Emisor

Base

Colector

Emisor

Base

. Transistor NPN

Transistor PNP

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1. Cuando se mide con el multímetro entre B~E y B~C en dirección directa en condiciones normales, este es electrificado (muestra normalmente algunos cientos de mV con el multímetro digital, pero muestra un valor de resistencia bajo en caso de utilizar un medidor análogo). Por el contrario, cuando se mide en dirección inversa, no se electrifica de modo que hay un pequeño cambio en el valor indicado por el multímetro (se despliega un voltaje similar al caso de la medición con la punta de prueba sin conectar en el multímetro digital, mientras que se despliega un valor de resistencia aproximada a infinito en el caso del medidor análogo). 2. En seguida, si E~C es medido con intervalos de medición directa y inversa con la pinza de medición, hay un pequeño cambio en el valor indicado por el multímetro para ambos casos recíprocos, porque no se electrifica en ninguno de los casos. En otros casos, de acuerdo al tipo de transistor y a las características cuando la punta de prueba roja (+) es conectada al colector y la punta de prueba negra (-) es conectada al emisor (en el caso del NPN, pero contrario al PNP) un valor de resistencia bastante alta puede ser desplegado sin llegar a infinito (así particularmente podría fluir una pequeña corriente). Como referencia, cuando se prueba el transistor o el diodo, si se mide bajo cierta condición de conexión al circuito, por lo que puede ser afectado por el valor de la resistencia del circuito en el que esta conectado, es recomendable medir bajo la condición de aislamiento del circuito. En casos donde generalmente el transistor o el diodo esta quemado, se despliega como forma de corto circuito principalmente.

Distinción de polaridad del transistor 1. En caso de usar el multímetro análogo. 1) Poner el selector de modo del multímetro análogo en R100 o R1000 2) Primero conectar una punta de prueba a cualquier pin del transistor. Luego conectar los dos terminales restantes del transistor respectivamente, usando la otra punta de prueba. 3) En este momento, si la dirección es en sentido horario, la Resistencia medida estará cercana a 0Ω, la conexión de la punta de prueba negra estará en la base en el transmisor NPN y la conexión de la punta de prueba roja estará la base en el transistor PNP. .

ELECTRÓNICA Automotriz 4) Si usted pone el selector de modo en R1000 en el medidor de circuitos, resulta en la dirección en sentido horario después de medir otras resistencias de dos pines respectivamente, la conexión de punta de prueba roja será el colector en NPN y la punta de prueba negra será el colector en PNP.

Multi Meter

Multi Meter

1 2

3

Base

1: Colector 2: Emisor 3: Base

.

ELECTRÓNICA Automotriz 2. En caso de buscar la polaridad basándose en los terminales del transistor. Cuando vemos el lado plano donde está impreso el nombre de la pieza.

En el transistor 2SC1815 (Transistor de tipo NPN para alta frecuencia) - Terminal derecho: Base - Terminal central: Colector - Terminal izquierdo: Emisor

Base

Emisor Colector

En el transistor 2SD880 (Tipo de transistor NPN para baja frecuencia) - Terminal derecho: Emisor - Terminal central: Colector - Terminal izquierdo: Base

Emisor

Base

Colector

.

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8. Termistor

Los elementos semiconductores que cambian el valor de la resistencia de acuerdo a las variaciones de temperatura, son el termistor NTC y termistor PTC 8.1 Termistor NTC (Coeficiente de Temperatura Negativa) - Características Si la temperatura sube, la resistencia disminuye. Resistencia

Temperatura

- Usos en el automóvil Sensor de temperatura del refrigerante del motor, sensor de temperatura del aire de admisión y sensor de advertencia de bajo nivel de combustible.

. Sensor de temperatura del refrigerante

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- Descripción del circuito con termistor NTC. El voltaje de polaridad del transistor depende del termistor NTC en el circuito inferior. Si la temperatura sube, el voltaje entre la base y el emisor se incrementa. Por lo tanto, el TR se pone en ON y la luz se enciende.

Luz R1

Bater� de 12 Volts NPN TR

NTC Termistor

8.2 Termistor PTC (Coeficiente positivo de temperatura) - Características Si la temperatura sube, la resistencia aumenta - Usos en el automóvil Actuador del bloqueo central de puertas - Descripción del circuito con termistor PTC. En el circuito de abajo, la luz se enciende cuando el interruptor está en ON. Si el exceso de corriente pasa hacia la Luz, el calor por exceso de corriente es producido hacia el termistor En este momento, la Resistencia aumenta y disminuye la corriente eléctrica. Por lo tanto, previene la sobre corriente en el circuito.

Luz

Termistor

Bater� Interruptor

.

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9. Celda Fotoconductora De acuerdo con el brillo de la luz, el valor de la resistencia cambia (aumenta o disminuye), El Material que transmite la luz es el Cds (Sulfuro de Cadmio) y el CdSe (Seleniuro de Cadmio) - Característica La resistencia disminuye si el brillo de la luz es fuerte y aumenta si la luz es débil.

KΩ 10,000 1,000 100 10 1

1

10

100

1,000 Lux

- Uso en el automóvil Sensor de luz automática, sistema de aire acondicionado - Descripción del circuito con CDS 1) Si el transmisor 1 esta en ON, la luz se enciende. 2) Si TR1 esta en ON, TR2 debe activarse a ON 3) TR2 es ON y opera de acuerdo al valor de resistencia de Cds 4) Si Cds aumenta demasiado, TR2 provee ON porque el voltaje de polaridad de TR2 sube 5) Si la cantidad de luz disminuye, el voltaje polarizado disminuye, porque la resistencia del Cds aumenta con la luz en OFF

.

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R1=10㏀

cds

R2=4.7㏀

Luz

R3=1㏀

12 volts Batería NPN TR1 2SC372

R4=4.7 ㏀

NPN TR2 2SC372

Circuito con Celda Fotoconductora

.

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10. Elemento Piezo-eléctrico Si se produce presión, se produce fuerza electromotriz, produciéndose voltaje por que este elemento tiene una cualidad especial que causa la transformación. -

Material : ácido de Titanio, Bario

-

Uso en el automóvil : Sensor de detonación

-

Forma de onda del sensor de detonación

Sensor de detonación a. Señal de presión del cilindro b. Señal filtrada de presión en el cilindro c. Señal del sensor de detonación

.

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11. Efecto Hall Cuando se instala un Hall IC (circuito integrado Hall) en un campo magnético en posición concéntrica con el flujo de corriente, los dos extremos del Hall IC pueden producir algún voltaje. En la imagen siguiente, si usted pone cualquier conductor en el campo magnético, produce algún flujo de corriente a través de este. A1 y A2 podrían producir algún voltaje de salida.

A1

Iv Corriente “I” A2

Si se simula el campo magnético, entonces el voltaje de salida entre A1 y A2 es ON y OFF. Cuando la rueda dentada interrumpe el campo magnético, voltaje de salida entre A1 y A2, en la figura, es puesto en ON. Cuando esta rueda dentada no interrumpe el campo magnético el voltaje de salida es OFF.

- Uso en el automóvil Sensor CMP, sensor CKP, sensor de velocidad, etc. - Forma de onda de la señal .

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Voltaje

Tiempo

Sensor CMP tipo Hall IC

.

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12. Circuito Integrado (IC) 12.1 Generalidades Un circuito integrado o IC, esta formado por varios de cientos de resistores, transistores y otros elementos incorporados sobre un sustrato formando un solo dispositivo. Cuando se lee un circuito con un IC, es muy importante la comprensión de las condiciones de operación, como se indican en la tabla o esquema. En este capítulo, se describe como se debe leer un circuito IC.

Tipos de I.C Clasificación por escala de integración ○ SSI (Circuito integrado de escala pequeña): menos de 100 elementos ○ MSI (Circuito Integrado de escala media): 100 a 1.000 elementos ○ LSI (Circuito integrado de gran escala): 1.000 a 100.000 elementos ○ VLSI (Circuito Integrado de escala muy grande): 100.000 elementos o más. Clasificación por aplicación y estructura  IC Análogo El IC amplifica o controla la cantidad análoga (cantidad continua) L a señal de salida siempre cambia linealmente con la señal de entrada Este tipo de IC es ampliamente usado en unidades con circuitos análogos.

Entrada

 IC Digital

Salida

El IC ejecuta sólo la conmutación, de acuerdo a las condiciones de la señal de entrada ON/OFF, la salida es obtenida como señal de conmutación ON/OFF. Entrada

Salida

.

ELECTRÓNICA Automotriz Características del IC  Tamaño reducido al mínimo para mayor integración  Alta confiabilidad gracias a la estructura integrada  Bajo precio gracias al volumen de producción  Bajo consumo de energía 12.2 IC Análogo El IC mostrado aquí es llamado comparador. “a” es el terminal de energía y “b” es el terminal de tierra, ambos son requeridos para el suministro de energía hacia el comparador durante su funcionamiento, pero no están directamente asociados con la operación en sí. El comparador compara el potencial en el Terminal “c” y terminal “d” y en estas condiciones de operación mostradas, proporciona la salida va[v] en el punto “e”, sólo cuando el potencial en el punto “c” es más alto que el potencial del punto “d”. El voltaje de los dos terminales de entrada, permanece constante y es llamado voltaje de referencia, mientras que el que cambia es llamado voltaje de comparación, los dos terminales de entrada tienen un voltaje de referencia que puede ser conocido a partir del circuito conectado al comparador.

+

A (Va)

＋

c

c

－

d Vc

Condición de Funcionamiento Salida (Va volt) es generada cuando Vc＜Vd Salida (Va volt) no es generada cuando Vc≤Vd

Vd b (Vb)

.

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12.3 IC Digital Circuito lógico En un circuito digital, las dos señales son usadas, es decir, la señal con el voltaje alto (H) y la señal con voltaje bajo (L) o la presencia de señal y ausencia de señal. Convencionalmente estas dos señales son representadas por “1” y “0”. Por ejemplo, cuando el transistor está en OFF en la figura, Vce es 12V, en este caso, el estado de voltaje es tomado como “1”. Cuando el interruptor es puesto en ON para activar a ON el transistor, el VCE llega a ser 0V y este estado es tomado como “0”. Un circuito digital es distinto al análogo, mucha información es expresada por la combinación de dos señales que pueden tener solo dos estados, llamados “1” ó “0”. Un circuito lógico es aquel que genera una salida de “1” ó “0” cuando la señal de entrada aplica la combinación de “1” y “0”.

Interruptor

12 volt Batería

Vce

Vce

OFF

OFF

OFF

12 volt 0 volt

ON

ON

ON

TR

.

ELECTRÓNICA Automotriz 12.4 Circuitos Lógicos 12.4.1 Circuito AND (producto lógico) La operación AND proporciona sólo un resultado cuando todas la condiciones se cumplen, como por ejemplo: "la luz de advertencia de frenos se ilumina cuando el interruptor de encendido está ON y interruptor del freno de estacionamiento esta en ON". Particularmente, el circuito AND es un circuito en el cual la señal de salida puede ser “1” cuando las señales de entrada son todas “1”. Representación

Circuito Actual

Símbolo lógico

Relación Entrada/Salida A B

C

1 1

1

1 0

0

0 1

0

0 0

0

La figura muestra un ejemplo del circuito AND usando transistores. Cuando ambas señales de entrada A y B son 1(H), el voltaje obtenido en la salida C es 1(H). Para que la salida C sea alta, es necesario que Tr 2 y Tr4 estén OFF y para esto, es necesario que Tr1 y Tr3 estén activados. Para que Tr1 y Tr3 se enciendan, el alto voltaje (H) debe ser aplicado en las entradas A y B de modo que la corriente pueda fluir a ambos transistores.

.

ELECTRÓNICA Automotriz

.

ELECTRÓNICA Automotriz 12.4.2 Circuito OR (suma lógica) La operación OR es aquella que da un resultado cuando al menos una condición entre varias se cumple, por ejemplo: “cuando cualquier puerta se abre, la luz indicadora de puerta abierta se enciende” Particularmente, el circuito OR es aquel cuya salida llega a ser “1” cuando al menos una señal de entrada es “1”. Contrariamente al circuito AND cuya salida es “1” cuando todas las entradas son “1”, el circuito OR puede ser considerado como un circuito en el que la salida es “0” cuando todas las salidas están en “0”.

Representación

Circuito Actual

Símbolo Lógico

Relación Entrada/Salida A B

C

1 1

1

1 0

1

0 1

1

0 0

0

Esta figura muestra un ejemplo del circuito OR utilizando transistores. Cuando la entrada A o B está “1” la salida C es “1”.

.

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12.4.3 Circuito NOT (negación) El circuito NOT es aquel cuya salida es inversa a la entrada, tales como cuando la señal de entrada es “1” y la señal de salida es “0” o viceversa. Por esta razón, el circuito NOT es a veces llamada inversor.

Representación

Circuito Actual

Símbolo Lógico

Relación entrada/salida A B

C

1 1

1

1 0

1

0 1

1

0 0

0

Nota: la relación entre el voltaje de la base del transistor (VBE) y el voltaje del colector (VCE) es la relación NOT. Particularmente, cuando el voltaje base es alto, el transistor se activa y por consiguiente el voltaje del colector es bajo. Por otro lado, cuando el voltaje base está bajo, el transistor se desactiva y por consiguiente el voltaje del colector es alto.

.

ELECTRÓNICA Automotriz

12.4.4 Circuitos NAND y NOR El circuito NAND es un circuito AND seguido por un circuito NOT, por esta razón es llamado NAND (significa NOT + AND)

Símbolo Lógico

Relación de Entrada/Salida Entrada

Salida

A

B

Y

L

L

H

L

H

H

H

L

H

H

H

L

12.4.5 El circuito NOR es un circuito OR seguido por un circuito NOT. En cualquier circuito, la salida es la inversa del circuito AND u OR. Símbolo Lógico

Relación de Entrada/Salida Entrada

Salida

A

B

Y

L

L

H

L

H

L

H

L

L

H

H

L

13. Microcomputador El microcomputador es un tipo de computador. Revisemos brevemente la historia del desarrollo de los computadores. Los primeros computadores producidos, eran mecánicos y usaban engranajes y otras piezas mecánicas, este fue seguido por los computadores eléctricos que utilizaban relés y posteriormente por los computadores electrónicos que utilizaban tubos al vacío. Un computador electrónico con tubos al vacío, era lo suficientemente grande para ocupar una habitación completa de un edificio, con 20.000 tubos en uso. Estos tubos de vacío fueron reemplazados por los transistores y luego por los circuitos integrados (IC). La integración de estos IC llegó a ser gradualmente grande, desarrollando el LSI (Integración de gran escala) y el VLSI (Integración de .

ELECTRÓNICA Automotriz escala muy grande). Con estos desarrollos, los computadores también cambiaron desde el tipo de vacío hasta el tipo de transistor y hacia el tipo IC y entonces se desarrolló el tipo LSI, convirtiéndose gradualmente en uno de tamaño más pequeño.

Veamos como se desarrollaron los microcomputadores. Cuando el desarrollo estaba en camino para fabricar calculadoras electrónicas portátiles, más compactas y más sofisticadas, cada cambio requería el rediseño del IC, el cual tenía un alto costo y tiempo. Este problema fue enfocado con el uso de LSI lo que permitía el cambio libre de las funciones internas del programa. Particularmente, con los LSI se pueden cambiar los programas que permiten el desarrollo de nuevas calculadoras. El LSI, cuyas funciones internas podrían ser cambiadas libremente por modificación del programa, era el microcomputador. En otras palabras, un microcomputador es un LSI con funciones que son descritas a continuación.

13.1 Tres elementos del microcomputador Un microcomputador consta de tres elementos, CPU (Unidad Central de Procesamiento) memoria e I/O (Unidad de Entrada/Salida)

13.2 Unidad I/O (Entrada / Salida) A través de esta unidad, el microcomputador se comunica con unidades externas (sensor, interruptor, actuador, etc.) en el caso de la ECU por ejemplo, la cantidad de aire de admisión es ingresada al microcomputador como señal del sensor y el resultado del cálculo realizado por la CPU es la salida desde este I/O como señal de control de la cantidad de combustible inyectado.

.

ELECTRÓNICA Automotriz 13.3 Memoria La memoria almacena el programa (conjunto de direcciones para la operación, juicios, intercambio de datos, etc), datos (voltaje de referencia para la ECU, comparación de la relación de aire/combustible, etc.) y las señales que son entradas, mientras que la CPU está ocupada con el procesamiento de los cálculos. La memoria se clasifica normalmente en los dos tipos siguientes: 13.4 ROM (Memoria Sólo de Lectura) Una memoria sola para leer. En el caso del microcomputador para la aplicación automotriz, sólo un programa fijado necesita la ejecución y por esta razón, el programa es permanentemente almacenado en una ROM.

La ROM no es volátil. Los contenidos se mantienen en forma

permanentemente, aún después que se desactiva la energía. Esta naturaleza hace de la ROM un dispositivo óptimo para almacenar programas.

13.5 RAM (Memoria de Acceso Aleatorio) Esta memoria puede ser escrita y leída.

Es usada para almacenar datos temporalmente.

Normalmente es volátil y los contenidos almacenados se pierden una vez que se interrumpe la energía. Nota: la RAM no volátil es llamada NVRAM. La utiliza el cuentakilómetros electrónico.

13.6 CPU (Unidad de Procesamiento Central) La parte del computador, que ejecuta las operaciones, interpreta e intercambia datos de acuerdo al programa almacenado en la memoria. Tomemos el sensor de O2 del ECM como ejemplo, cuando la señal de voltaje que indica la relación aire/combustible llega a la unidad I/O del sensor de O 2, la CPU realiza el procesamiento de acuerdo al programa almacenado en la memoria de la siguiente forma: La CPU compara la señal con el voltaje de referencia almacenada en la memoria y si la señal de voltaje es más alta, juzga que la relación aire/combustible es más alta que la relación de aire/combustible teórica y produce la señal para bajar la relación de inyección de combustible en la I/O. Entonces, la I/O envía esta señal (al inyector) de modo que se reduzca la inyección de combustible.

.

ELECTRÓNICA Automotriz 13.7 Tipos de microcomputadores Los microcomputadores pueden ser divididos en dos tipos dependiendo si el LSI contiene sus tres elementos separados o todos estos elementos son implementados por una señal LSI. El primer tipo es llamado microcomputador de multi chip y el último tipo es llamado microcomputador de un chip.

Los microcomputadores usados en la mayoría de los autos

pertenecen a esta última categoría.

13.8 Operación Básica del microcomputador La operación básica de un microcomputador es la adición y substracción de los números binarios y los circuitos internos son básicamente circuitos lógicos. Particularmente, el microcomputador es esencialmente el IC digital y su circuito interno puede ser representado por símbolos lógicos. Los circuitos internos del microcomputador para la aplicación automotriz son complicados pero ellos son relativamente fáciles de entender si tiene conocimientos básicos de los circuitos lógicos. Nota: Número binario Los números del 0 al 9 que usamos en nuestra vida diaria son números decimales. Los números binarios, por otro lado, consisten solo en dos números 0 y 1. Estos dos números corresponden, a las dos señales del circuito lógico. En otras palabras, un microcomputador es un IC digital que procesa los datos binarios a través de su circuito lógico.

13.9 Microcomputador en un sistema

.

ELECTRÓNICA Automotriz 13.9.1 Uso como controlador En un sistema formado por el transistor, IC, LSI y otras partes individuales, un microcomputador se incorpora como controlador. Los ejemplos típicos son equipos de radio, televisores y otros artefactos eléctricos y electrónicos. 15.9.2 Uso como computador La aplicación con énfasis colocado en su función de cálculo. Los computadores Personales y los procesadores de texto pertenecen a esta categoría. 15.9.3 Uso Combinado como controlador y computador El uso del microcomputador no es solo para un simple control de una máquina, sino que para un control óptimo. Particularmente, el microcomputador juzga las condiciones que están cambiando constantemente y controla la máquina adecuadamente.

Los microcomputadores usados en

automóviles pertenecen a esta categoría. 15.9.4 Ejemplo de aplicación Como ejemplo de la aplicación de los microcomputadores a los automóviles, se describe a continuación la unidad del computador para el ECM. Esta unidad de computador ECM controla la relación óptima del combustible del motor, etc. con su microcomputador.

Las señales de varios sensores son la entrada a través de la unidad I/O

calculada por la CPU de acuerdo al programa almacenado en la ROM. En la memoria (RAM), los resultados de los datos y los cálculos son almacenados temporalmente como sea necesario.

.

ELECTRÓNICA Automotriz

14. Entendiendo los circuitos electrónicos Circuito de control de velocidad del motor del ventilador

Motor del ventilador

R1 1㏀ t

IC M

C

IB

B

Batería 12 volt

TR D235 E

VR 1~100Ω

Circuito de control de la Luz de habitáculo con temporizador

Condensador 33㎌/25Volt

C

B Diodo 2 10D1

R2 15㏀

Batería 12Volt

Diodo 1 10D1

R1 330Ω

Luz Interior 12Volt/1.2W TR 1 A1015

E

C B

Interruptor de Puerta

R1 10㏀

TR 2 D471 E

.

ELECTRÓNICA Automotriz

Circuito de iluminación automática

R1 4.7㏀

R3 10㏀

LED

R2 1㏀

CDS

B

TR 1 2SC372

C B R4 4.7㏀

TR 2 2SC372

Batería 6V

C

E

E

.

ELECTRÓNICA Automotriz Símbolos de unidades de medición eléctrica Cantidad

Unidad

Símbolo

Corriente

Ampere

A

Voltaje

Voltio

V

Resistencia Eléctrica

Ohm

Ω

Conductividad

Mho Columbio

C

Amperes-hora

Ah

Watt

W

Joule

J

Watt-hora

Wh

Capacitancia estática

Faradio

F

Coeficiente de inducción Electromagnética

He

H

Flujo magnético

Weber

Wb

Intensidad del campo Magnético

Ampere-vuelta

AT/m

Fuerza Magnética

Meter

Fuerza Magnética de movimiento

Ampere-vuelta

AT

Frecuencia

Hertz

Hz

Nivel de sonido

Fonio

P

Atenuación o ganancia

Decibel

dB

Fracción multiplicador

Prefijo

Cantidad de electricidad

Potencia Eléctrica

Trabajo eléctrico

Símbolo

.

ELECTRÓNICA Automotriz

106

Mega

M

103

Kilo

K

10-1

Deci

d

10-2

Centi

c.

10-3

Mili

Mm

10-6

Micro

10-9

Nano

n.

10-12

Pico o Micro

p.

Relación con la

Prefijo

Símbolo

MEGA

M

1.000.000

8 M = 8 000 000

KILO

K

1.000

20 Kv = 20 000 V

MILLI

m

0.001

500 mV = 0.5 V

MICRO

µ

0.000 000 001

500 µA = 0.000 5 A

NANO



0.000 000 001

20 V = 0.000 000 02 V

PICO



0.000 000 000 001

20 V = 0.000 000 000 02 V

Unidad Básica

Ejemplo

.

ELECTRÓNICA Automotriz

.