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UNIDADES DE CONTROL ELECTRONICO, ECM Una unidad de control está compuesta por diversos componentes que permiten que un Procesador pueda realizar funciones a alta velocidad. Gran parte de los circuitos que se encuentran al interior de una unidad de control están destinados, para que se pueda tener estabilidad en este proceso, el siguiente es un resumen de las partes más básicas de un módulo de control ECM. CIRCUITO FUENTE. Está diseñado para regular la tensión a un valor constante de 5V, está compuesto por una serie de circuitos los cuales buscan mantener estabilidad a la entrada de tensión del módulo de control.
CIRCUITO PROCESAMIENTO DE DATOS. Está diseñado para manejar toda la parte lógica del ECM, es el encargado de decidir que se debe hacer a cada momento, cuenta con un Procesador y una Memoria, cada uno de ellos, trabaja de acuerdo a una frecuencia constante, que opera un componente llamado Cristal o reloj, la memoria almacena toda la información de operación del ECM.
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CIRCUITOS DRIVER O SALIDAS. Este conjunto de componentes está diseñado para operar las salidas de comando hacia los actuadores, su misión es manejar la corriente de inyectores, bobinas, relés, y todos los elementos que tengan un consumo importante de Amperaje, principalmente están compuesto por uno o varios transistores.
ENLACE DE DATOS Y PERISFERIA. Esta parte del ECM, está diseñada principalmente para preparar señales de entrada y comunicación con la red, también gran parte de estos circuitos está diseñada para filtrar muchas señales que
manejan en la unidad de control,
ejemplo la entrada de los sensores.
1. COMPÒNENTES DE UN MODULO. En el interior del módulo encontramos la electrónica está compuesta por una gran variedad de componentes y el arreglo del circuito es un trabajo muy delicado de ingenieros especializados que realizan muchos cálculos Matemáticos para poder llevar todos esos elementos a la final consecución, algunos circuitos pueden ser de fácil compresión para el Técnico pero otros por el contrario requieren un poco más de preparación y esfuerzo, pero él no entender el diseño del circuito, no quiere decir que el Técnico no pueda llevar a cabo una buena reparación utilizando el mejor componente para su reemplazo, dentro de los varios WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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elementos que se van a encontrar en un MODULO lo primero que se debe tener en cuenta es si el componente se clasifica como PASIVO o ACTIVO el concepto de esta identificación se lista a continuación.
COMPONENTES PASIVOS: Se puede definir a los componentes pasivos como aquellos que no producen amplificación y que sirven para controlar la electricidad, colaborando al mejor funcionamiento de los elementos activos (los cuales son llamados genéricamente semiconductores). Los componentes pasivos están formados por elementos de diversas clases y se tendrán que considerar independientemente, ya que son diferentes sus objetivos, construcción y resultados, de modo que se pueden dividir en tres grandes grupos: 1. Resistencias. 2. Condensadores. 3. Bobinados. 1. Resistencias. Las resistencias se pueden
definir
como aquel componente que pone
cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica. Es decir, ofrece resistencia a dejarse atravesar por la corriente eléctrica en los más variados valores según el tipo de componente, de modo que pueden cumplir diversas funciones. Las resistencias, son los elementos que más abundan en los circuitos electrónicos. Cuando destapemos cualquier caja que contenga semiconductores las veremos con profusión, distinguidas en seguida por aros de vivos colores que las envuelven y que, indican el valor de su resistencia óhmica, de acuerdo con su código.
Clases de Resistencias: Estableceremos una clasificación de las resistencias de acuerdo con la forma de estar construidas, y también de acuerdo con los materiales con los se lleva a cabo esta construcción. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Resistencias aglomeradas.
Resistencias de capa o película.
Resistencias Bobinadas. Las resistencias aglomeradas se componen de una masa homogénea de
grafito mezclado con un elemento aglutinante, fuertemente prensado en forma cilíndrica y encapsulada en un manguito de material aislante como el plástico. El valor óhmico de una resistencia de carbón, es decir, su mayor o menor facilidad para dejar pasar la corriente eléctrica depende de las proporciones del grafito y aglutinante empleadas en su fabricación. En las resistencias de capa o película, el elemento resistivo es una finísima capa de carbón sobre un cuerpo aislante, de forma también cilíndrica. El cuerpo central es, en algunos casos, un minúsculo tubo de cristal con los terminales de conexión conectados a cada extremo. Una variante de este tipo de resistencias son las llamadas resistencias de película metálica, en las que la capa de carbón ha sido sustituida por una aleación metálica de alta constante resistiva (níquel, cromo u oro-platino) o un óxido metálico como el óxido de estaño. En las resistencias bobinadas se emplea un hilo conductor que posee una resistencia específica especialmente alta. El hilo conductor se arrolla encima de un cuerpo, generalmente un tubo de cerámica. En cuanto a los extremos del hilo, se fijan generalmente con abrazaderas que a su vez pueden servir como conexiones para el montaje e incluso, si las abrazaderas son desplazables se pueden obtener valores de resistencia parciales. En muchas ocasiones se hallan también colocadas dentro de un prisma cerámico de sección cuadrada y se sellan con una silicona especial para que se hallen debidamente protegidas.
Valor óhmico y tolerancia de las resistencias: Lo más importante de las resistencias es su valor óhmico, es decir, la oposición que ofrece al paso de la corriente eléctrica. Este valor no tiene ninguna relación con el tamaño, sino que los materiales constituyentes de la resistencia. En cuanto al valor óhmico hay que tener en cuenta que éste queda afectado por el calor, el calor se produce siempre que la corriente eléctrica pasa a través de una WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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resistencia, y este aumento de la temperatura modifica el valor de las resistencias. Por este motivo, en algunos aparatos de medida hay que esperar hasta que se hayan calentado las resistencias antes de hacer la medición para que cese la variación de resistencia que estos elementos provocan. Téngase en cuenta que, después de cierto tiempo, se establece un estado de equilibrio entre el calor producido y el calor irradiado, con lo que la temperatura no sigue aumentando. De todos modos, el valor asignado a una resistencia es siempre aproximado, y de ahí que deba contarse siempre con una tolerancia, de modo que el valor nominal puede variar dentro de ciertos límites.
Para qué sirven las resistencias En los circuitos electrónicos, tanto las tensiones como las corrientes es preciso controlarlas para conseguir los efectos deseados. No podemos, por ejemplo, mandar indiscriminadamente corriente a la base de un transistor; por el contrario, estas bases precisan siempre tensiones de polarización para que puedan funcionar dentro de los límites correctos, lo cual quiere decir que la tensión de base de un transistor debe mantenerse a una tensión constante con respecto el emisor.
Indicación del valor de las resistencias Es muy importante conocer el valor de cada una de las resistencias que forman parte de un circuito, ya que si alguna vez se ha de cambiar alguna resistencia que la sepamos sustituir por otra del valor adecuado. El valor de las resistencias va grabado sobre ellas y puede venir indicado por medio de cifras, por anillos de color o bien por puntos de color, grabado todo ello, como decimos, sobre la superficie exterior del componente y de acuerdo con un código que se debe conocer. El uso de anillos de color pintados es el sistema más corriente utilizado en electrónica, y es el que vamos a estudiar en esta página.
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Código de Colores. Es el código con el que se regula el marcado del valor nominal y tolerancia para resistencias fijas de carbón y metálicas de capa fundamentalmente. Se puede resaltar que con estos códigos lo que obtenemos es el valor nominal de la resistencia pero no el valor real que se situará dentro de un margen según la tolerancia que se aplique. Código de colores para tres o cuatro bandas.
Tolerancia: sin indicación +/- 20% Código de colores para cinco bandas
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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%.
Figura 2
Figura 1
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 WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Segundo dígito: corresponde al segundo dígito del valor
Tercer dígito: (5%): representa al exponente, o "números de ceros" a agregar. (figura 1)
Tercer dígito: (1%): corresponde al tercer dígito del valor. (figura 2)
Cuarto dígito: (1%): representa al exponente, o "número de ceros" a agregar.
Ejemplo 1: Resistencia con 3 dígitos (5%)
650
332
472
1º dígito = 6 1º dígito = 3 1º dígito = 4 2º dígito = 5 2º dígito = 3 2º dígito = 7 3º dígito = 0 3º dígito = 2 3º dígito = 2 =1
= 100
= 100
65 x 1 =
33 x 100 =
47 x 100 =
65 ohms
3300 ohms 4700 ohms
Ejemplo 2: Resistencia con 4 dígitos (1%)
1023
1000
2492
1º dígito = 1 1º dígito = 1 1º dígito = 2 2º dígito = 0 2º dígito = 0 2º dígito = 4 3º dígito = 2 3º dígito = 0 3º dígito = 9 4º dígito = 3 4º dígito = 0 4º dígito = 2 = 1000
=1
= 100
102 x 1000 =
100 x 1 =
249 x 100 =
102 Kohms
100 ohms
24.9 Kohms
Debido a que en los dispositivos de montaje superficial el espacio disponible es muy reducido se intenta en lo posible aprovechar este espacio optimizando la información presentada. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Esta clase de optimización puede en algunos casos causar confusión, sin embargo veamos que todos los valores son interpretables. 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 en prácticamente 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. 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 solo 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 este 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.
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CONDENSADORES. Si se quiere entender un poco el significado de los condensadores, se tiene que en el Automóvil el condensador más grande que se tiene es la batería, ella absorbe un incremento en el voltaje generado por el
alternador y estaría en
capacidad de luego entregarlo en un momento que el generador cargue menos que ese voltaje que anteriormente cargo, manteniendo así lo mas constante posible la tensión del sistema. Básicamente un condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Está formado por dos armaduras metálicas paralelas (generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico. Va a tener una serie de características tales como capacidad, tensión de trabajo, tolerancia y polaridad, que deberemos aprender a distinguir.
Capacidad: Se mide en Faradios (F), aunque esta unidad resulta tan grande que se suelen utilizar varios de los submúltiplos, tales como microfaradios (µF=10-6 F), nano faradios (nF=10-9 F) y pico faradios (pF=1012
F).
Tensión de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un condensador, que depende del tipo y grosor del dieléctrico con que esté fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse (quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior a la máxima.
Tolerancia: Igual que en las resistencias, se refiere al error máximo que puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad indicada sobre su cuerpo.
Polaridad: Los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.
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Tipos de Condensadores. Se presentan a continuación una serie de condensadores de los más típicos que se pueden encontrar.
1. Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en electrolito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V). Abajo a la izquierda vemos un esquema de este tipo de condensadores y a la derecha vemos unos ejemplos de condensadores electrolíticos de cierto tamaño, de los que se suelen emplear en aplicaciones eléctricas (fuentes de alimentación, etc.).
2. Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1 µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre.
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3. De poliéster metalizado MKT. Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su estructura: dos láminas de poli carbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas. Aquí al lado vemos un detalle de un condensador plano de este tipo, donde se observa que es de 0.033 µF y 250v. (Inscripción: 0.033 K/ 250 MKT). 4. De poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF.
5. De poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma normal, sin aplastar.
6. Cerámico "de lenteja" o "de disco". Son los cerámicos más corrientes. Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color.
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7. Cerámico "de tubo". Sus valores de capacidad son del orden de los pico faradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura).
Identificación del valor de los condensadores Codificación por Bandas de Color Hemos visto que algunos tipos de condensadores llevan sus datos impresos codificados con unas bandas de color. Esta forma de codificación es muy similar a la empleada en las resistencias, en este caso sabiendo que el valor queda expresado en pico faradios (pF). Las bandas de color son como se observa en esta figura:
En el condensador de la izquierda se aprecian los siguientes datos: verde-azul-naranja = 56000 pF = 56 nF (recordemos que el "56000" está expresado en pF). El color negro indica una tolerancia del 20%, tal como veremos en la tabla de abajo y el color rojo indica una tensión máxima de trabajo de 250v.
En el de la derecha se Observa: amarillo-violeta-rojo = 4700 pF = 4.7 nF. En los de este tipo no suele aparecer información acerca de la tensión ni la tolerancia. Código de colores en los Condensadores
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COLORES
Banda Banda
Negro
1
2
--
0
Multiplicador Tensión x1
Marrón
1
1
X 10
100 V.
Rojo
2
2
X 100
250 V.
Naranja
3
3
X 1000
Amarillo
4
4
X 104
Verde
5
5
X 105
Azul
6
6
X 106
Violeta
7
7
Gris
8
8
Blanco
9
9
COLORES
400 V.
630 V.
Tolerancia (C > 10 Tolerancia (C < 10 pF)
pF)
Negro
+/- 20%
+/- 1 pF
Blanco
+/- 10%
+/- 1 pF
Verde
+/- 5%
+/- 0.5 pF
Rojo
+/- 2%
+/- 0.25 pF
Marrón
+/- 1%
+/- 0.1 pF
Codificación mediante letras Este es otro sistema de inscripción del valor de los condensadores sobre su cuerpo. En lugar de pintar unas bandas de color se recurre también a la escritura de diferentes códigos mediante letras impresas.
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A veces aparece impresa en los condensadores la letra "K" a continuación de las letras; en este caso no se traduce por "kilo", o sea, 1000 sino que significa cerámico si se halla en un condensador de tubo o disco. Si el componente es un condensador de dieléctrico plástico (en forma de paralelepípedo), "K" significa tolerancia del 10% sobre el valor de la capacidad, en tanto que "M" corresponde a tolerancia del 20% y "J", tolerancia del 5%. LETRA
Tolerancia
"M"
+/- 20%
"K"
+/- 10%
"J"
+/- 5%
Detrás de estas letras figura la tensión de trabajo y delante de las mismas el valor de la capacidad indicado con cifras. Para expresar este valor se puede recurrir a la colocación de un punto entre las cifras (con valor cero), refiriéndose en este caso a la unidad microfaradio (µF) o bien al empleo del prefijo "n" (nano faradio = 1000 pF). Ejemplo: un condensador marcado con 0,047 J 630 tiene un valor de 47000 pF = 47 nF, tolerancia del 5% sobre dicho valor y tensión máxima de trabajo de 630 v. También se podría haber marcado de las siguientes maneras: 4,7n J 630, o 4n7 J 630.
Codificación "101" de los Condensadores. El código 101 utilizado en los condensadores cerámicos como alternativa al código de colores. De acuerdo con este sistema se imprimen 3 cifras, dos de ellas son las significativas y la última de ellas indica el número de ceros que se deben añadir a las precedentes. El resultado debe expresarse siempre en pico faradios pF. Así, 561 significa 560 pF, 564 significa 560000 pF = 560 nF, y en el ejemplo de la figura de la derecha, 403 significa 40000 pF = 40 nF.
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Ejemplos de Identificación con Condensadores 0,047 J 630 C = 47 nF 5% V = 630 V.
0,068 J 250 C = 68 nF 5% V = 250 V.
403 C = 40 nF
47p C = 47 pF
22J
2200
C = 22 pF 5%
C = 2.2 nF
10K +/-10% 400 V
3300/10 400 V
C = 10 nF 10%
C = 3.3 nF 10%
V = 400 V
V = 400 V.
amarillo-violeta-
330K 250V
naranja-negro
C = 0.33 µF
C = 47 nF 20%
V = 250 V.
n47 J C = 470 pF 5%
0,1 J 250 C = 0.1 µF 5% V = 250 V.
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verde-azulnaranja-negro-rojo C = 56 nF 20% V = 250 V.
22K 250 V C = 22 nF V = 250 V.
µ1 250 C = 0.1 µF V = 250 V.
n15 K C = 150 pF 10%
azul-gris-rojo y marrón-negronaranja C1 = 8.2 nF
amarillo-violeta-rojo C = 4.7 nF
C2 = 10 nF amarillo-violeta-rojo, rojo.02 µF 50V C = 20 nF V = 50 V.
negro-marrón y amarillovioleta-marrón C1=4.7 nF C2=200 pF C3=470 pF
VARISTORES. Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos, conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de CC o CORRIENTE ALTERNA. Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al igual que ellos pueden absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además pueden suprimir los transitorios positivos y negativos. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los varistors se fabrican con un material no-homogéneo.(Carburo de silicio).
CARACTERISTICAS 1. Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). Esto permite una selección fácil del componente correcto para una aplicación específica. 2. Alta capacidad de absorción de energía respecto a las dimensiones del componente. 3. Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, absorbiendo el transitorio en el instante que ocurre. 4. Bajo consumo (en stabd-by) - virtualmente nada. 5. Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección de circuitería en conmutación digital. 6. Alto grado de aislamiento.
Máximo impulso de corriente no repetitiva El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del impulso, del duty cycle y del número de pulsos. Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se permite generalmente que garantice un „máximo impulso de corriente no repetitiva‟. Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2”, con tal que la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del 10% como máximo. Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora. Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración más larga, habría que estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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fabricantes, estas curvas garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 mA.
En la imagen se puede observar un circuito fuente el cual contiene un gran varistor que permite realizar la estrategia de protección comentada.
COMPONENTES ACTIVOS. Dentro de lo que respecta a la electrónica de módulos en automotriz la gran evolución de los sistemas se presento cuando se implementaron en los controles los Semiconductores. Estos componentes tienen un gran número de virtudes porque simplifican los circuitos, sus propiedades permiten que cambien su características de operación como ningún otro material lo podría hacer, para brindar un ejemplo muy simple se podría decir que este tipo de elementos podría comportarse en un momento similar a un alambre de cobre que conduce la corriente eléctrica y en otro momento
se podría comportar en un plástico que no conduce bien la
corriente eléctrica, todo esto lo hace el mismo componente y se podría conseguir este cambio tan notable con solo invertir la polaridad del circuito.
TEORIA DE LOS SEMICONDUCTORES. Los
semiconductores
son
materiales
generalmente
de
SILICIO
o
GERMANIO cuyas características de conducción eléctrica han sido modificadas para esto han sido combinados sin formar un compuesto químico con otros elementos.
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A este proceso de combinación se le denomina DOPADO, en este proceso se consiguen básicamente dos tipos de componentes un Material denominado tipo P y un Material denominado tipo N. Tipo N: Básicamente se presenta un exceso de electrones. Tipo P: Básicamente se presenta un déficit de electrones.
Los diferentes Semiconductores se forman por la combinación de materiales tipo P y tipo N y las características físicas de estos están determinadas por la cantidad de dopado que se realice en las secciones de los semiconductores y así como en la organización física y el tamaño de los materiales. Esto permite fabricar por ejemplo un diodo para corrientes bajas y un diodo para corrientes altas pero el principio es el mismo.
DIODOS. La explicación del diodo es la característica predominante en los semiconductores aunque existen varios tipos de estos elementos todos parten del funcionamiento del DIODO SEMICONDUCTOR. Como su nombre lo indica son dispositivos fabricados con dos tipos de material semiconductor uno tipo N y otro tipo P. su nombre proviene de la contracción de las palabras (Dos Electrones) en ingles. A la sección de material tipo P se le denomina Ánodo y a la sección de material tipo N se le denomina Cátodo. En un diodo, su sección de material tipo N tiene impurezas que le permiten poseer un exceso de electrones libres en su estructura así esta parte se hace de cierta forma negativa. Y luego en su sección tipo P se encuentra un déficit y esta parte se torna positiva.
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Cuando no hay voltaje en el diodo se logra un efecto interesante en la Unión P – N los electrones libres de la sección N se unen
con los huecos
cercanos a la unión tipo P. A esta Recombinación en la unión del diodo se le denomina DIPOLO, la formación de dipolos en la zona de unión hace que en este lugar se de un déficit de portadores creando una zona de DEPLEXION algo así como una zanja en la mitad de un camino. A este lugar se le denomina zona de deplexión.
Cada dipolo tiene un campo eléctrico entre los Iones Positivos y Negativos. Los electrones son repelidos por este campo, cuando tratan de cruzar la zona de deplexiòn para recombinarse con huecos más alejados del otro lado. Con cada recombinación aumenta el campo eléctrico hasta que se logra el equilibrio es decir se detiene el paso de electrones del material tipo N al material tipo P. El campo eléctrico formado por los iones se denomina BARRERA DE POTENCIAL para los diodos de Germanio es 0.3 V y para los diodos de Silicio es 0.7 V. Si se conecta una fuente de potencial eléctrico (Ej. la batería del auto) a las terminales del diodo, de forma que el polo positivo de la batería coincida con el material tipo P y el polo negativo con el material tipo N, se dice que el diodo se encuentra en polarización Directa si es en caso contrario la polarización es Inversa.
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Cuando el diodo se encuentra en polarización Directa los electrones libres de la sección N y los huecos de la sección P son repelidos hacia la unión P-N debido al voltaje aplicado por la fuente externa. Si el voltaje de polarización es más grande que la barrera de potencial entonces un electrón de la sección N cruzara a la sección para recombinarse con un hueco de la sección P. El desplazamiento de los electrones hacia la unión genera iones positivos dentro de la sección N, los cuales atraen a los electrones del conductor externo hacia la zona del cristal. Una vez dentro los electrones pueden desplazarse también hacia la unión para recombinarse con los huecos de la sección P, mismos que se convierten en electrones de valencia y son atraídos por el polo positivo del conductor externo entonces salen del cristal (semiconductor P) y de ahí se dirigen hacia la batería como lo muestra la figura.
Si el diodo es polarizado de forma Inversa los huecos de la sección P son atraídos hacia el polo negativo de la batería y los electrones de la sección N son atraídos hacia el polo positivo. Puesto que Huecos y Electrones se alejan de la unión, la zona de deplexiòn crece de acuerdo al voltaje inverso aplicado a las terminales del diodo. Por tanto la zona de deplexiòn deja de aumentar cuando tiene una diferencia de potencial igual al valor de tensión inversa aplicado.
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Con la zona de deplexiòn aumentada no circula entonces corriente eléctrica. El hecho es que el dispositivo en cierta forma aumento al máximo su resistencia interna.
DIODOS RECTIFICADORES 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...
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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.
DIODO ZENER El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de disrupción, entre la tensión de codo y la tensión Zenner (Vz
nom)
lo podemos
considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de disrupción se puede considerar
como
un
generador
de
tensión
de
valor
V f=
-Vz.
El Zenner se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de disrupción.
Podemos distinguir: 1. Vz nom, Vz: Tensión nominal del Zenner (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el Zenner). 2. Iz min.: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (Vz min.). WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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3. Iz máx.: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz máx.). 4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de V z nom y Iz máx.
Cuando usamos un diodo Zenner en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante): 1. Para un correcto funcionamiento, por el Zenner debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min. 2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Iz máx. 3. La potencia nominal Pz que puede disipar el Zenner ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.
DIODO LED El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cuál sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED.
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Entre
sus
aplicaciones
podemos
destacar:
pilotos
de
señalización,
instrumentación, opto acopladores, etc. Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida.
Cálculo de R resistencia de polarización del LED R = (Vs - Vd) / Id Vd entre 1.2 - 1.5V Id entre 10 - 20 mA Ejemplo para Vs = 12 V, Vd = 1,5 V, Id = 10 mA -------> R = 1 K
IDENTIFICACIÓN DE DIODOS Los diodos de unión p-n y los Zenner tienen características constructivas que los diferencian de otros. Su tamaño, en muchos casos, no supera el de una resistencia de capa o de película de 1/4W y aunque su cuerpo es cilíndrico, es de menor longitud y diámetro que las resistencias. Aunque existen gran variedad de tipos, sólo algunos especiales difieren de su aspecto. No ocurre lo mismo con el tamaño, pues es función de la potencia que pueden disipar. Es característico encontrarse un anillo en el cuerpo que nos indica el cátodo. Para aquellos cuyo tipo concreto viene señalado por una serie de letras y números, el cátodo es WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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marcado mediante un anillo en el cuerpo, próximo a este terminal. Otros usan códigos de colores, y en ellos el cátodo se corresponde con el terminal más próximo a la banda de color más gruesa. Existen fabricantes que marcan el cátodo con la letra "K" o el ánodo con la "a". Los diodos de punta de germanio suelen encapsularse en vidrio. En cuanto a los diodos LED, se encuentran encapsulados en resinas de distintos colores, según sea la longitud de onda con la que emita. El ánodo de estos diodos es más largo que el cátodo, y usualmente la cara del encapsulamiento próxima al cátodo es plana.
TRANSISTOR BJT (BIPOLAR).
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Cuando se selecciona un transistor se debe
conocer el tipo de
encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También se deberá 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.
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar: 1. 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. 2. 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. 3. 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). WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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4. 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: Se sustituye el transistor NPN por un PNP y se invierten todos los voltajes y corrientes. Un ejemplo de la configuración de este tipo de transistores el la imagen inferior que muestra la geometría e identificación de sus pines tal cual como es representado en el manual correspondiente de cada fabricante.
En el esquema se pueden identificar la Base el Colector y el Emisor. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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En el caso de este tipo de transistores la capacidad de conmutación es baja comparada con los transistores de compuerta aislada. Un transistor de este tipo comúnmente llevara entre sus terminales una corriente usual de 1A y voltajes de 60 V.
TRANSISTOR DARLINTONG. En muchos módulos de control electrónico se utiliza un transistor denominado Darlington, 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 Darlington 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. Ver la forma en la figura.
El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2. La ecuación de ganancia de un transistor típico es: IE= â x IB (Corriente de colector es igual a beta por la corriente de base). Entonces analizando el gráfico: Ecuación del primer transistor es: WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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IE1 = â1 x IB1 (1), Ecuación del segundo transistor es: IE2 = â2 x IB2 (2) Observando el gráfico, la corriente de emisor del transistor (T1) es la misma que la corriente de base del transistor T2. Entonces IE1= IB2 (3) Entonces utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene: IE2 = â2 x IB2 = â2 x IE1 Reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 (ver ecuación (1)) se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington. IE2 = â2 x â1 x IB1 Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor que la de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores. (Las ganancias se multiplican). Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (b = 100) conectados como un transistor Darlington y se utilizara la formula anterior, la ganancia sería, en teoría: â2 x â1 = 100 x 100 = 10000. Como se ve es una ganancia muy grande. En la realidad la ganancia es menor. Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas. Muy importante: la caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4 voltios que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1 (0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 Voltios). En
los
manuales
de
los
componentes
podemos
encontrar
una
representación para este transistor como muestra la imagen inferior.
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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 este mismo catalogo provee la información normal de operación, o los valores máximo de parámetros de funcionamiento como serian por ejemplo.
Voltaje C – E
Corriente Colector normal y máxima.
Frecuencia de Trabajo Máxima.
Temperatura Máxima de Trabajo. En el cuadro inferior se muestra una
tabla usual para una referencia
específica de un transistor tipo DARLINTONG.
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO. El transistor de efecto de campo (FET = Field-Effect Transistor) es un dispositivo de tres terminales que se emplea para una amplia variedad de aplicaciones que coinciden, en gran parte, con aquellas correspondientes al transistor BJT. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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La diferencia principal entre las dos clases de transistores es el hecho de que el transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje. En otras palabras, la corriente Ic la es una función directa del nivel de IB. Para el FET la corriente ID ser una función del voltaje VGS aplicado a la entrada del circuito, en cada caso la corriente de la salida del circuito se controla por un parámetro del circuito de entrada, en un caso un nivel de corriente y en otro un voltaje aplicado Así como hay transistores bipolares NPN y PNP, existen transistores de efecto de campo de canal-n y canal-p. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el transistor BJT es un dispositivo bipolar (el prefijo bi- revela que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga, electrones y huecos). El FET es un dispositivo unipolar que depende únicamente ya sea de la conducción por electrones (canal-n) o por los huecos (canal-p). El termino "efecto de campo" en el nombre elegido amerita una explicación.
Todos estamos
familiarizados con la habilidad de un imán permanente de atraer limaduras de metal sin necesidad de un contacto físico directo. El campo magnético‚ de un imán permanente actúa sobre las limaduras y las atrae hacia el imán a través de un esfuerzo por parte de las líneas de flujo magnético, para mantenerlas a tan corta distancia como sea posible. Para el FET se establece un campo eléctrico por medio de las cargas presentes
que
controlaran la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin necesidad de un contacto directo entre la cantidad que controla y la que es controlada. Cuando se introduce un segundo dispositivo con un rango de aplicaciones semejante a otro presentado con anterioridad, existe una tendencia natural a comparar algunas de las características generales de uno contra el otro. Cuando se introduce un segundo dispositivo con un rango de aplicaciones semejante a otro presentado con anterioridad, existe una tendencia natural a comparar algunas de las características generales de uno contra el otro.
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CONSTRUCCIÓN DE LOS JFET. El JFET es un dispositivo de tres terminales, siendo una de ellas capaz de controlar el flujo de corriente entre las otras dos. En nuestra explicación sobre el transistor BJT se utilizó el transistor npn a lo largo de la mayor parte de las secciones de análisis y diseño, con una sección
dedicada a los efectos
resultantes de emplear un transistor pnp. Para el transistor
JFET el dispositivo de canal-n aparecerá como el
dispositivo predominante sobre todo en los controles realizados en los diferentes módulos especialmente el PCM. La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura inferior.
Observe que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n, se conecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta (gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a los extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p. En ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n bajo condiciones sin polarización. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura anterior, que se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización Recuérdese también que una región de agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaces de permitir la conducción a través de la región. Este tipo de transistores permiten que los módulos de control puedan controlar cada vez mas circuitos con alta corriente, a este efecto se le denomina ganancia, en el momento de diagnostico de uno de estos componentes podemos encontrar que no existe caída de tensión en la excitación de su base. Presentando generalmente voltajes cercanos a 5V a través siempre de una resistencia. El principal de estos transistores se denomina MOSFET M: Metal O:Oxido S: Semiconductor. En la grafica 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
Pero las diferencias principales se generan en cuánto a poder de conmutación en donde este tipo de transistores puede tener mayor ganancia en la tabla inferior se presenta una especificación general para este tipo de transistor. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Es importante observar por ejemplo el valor de corriente máximo y pulsante entre Drain – Source, y el voltaje máximo soportado en estos terminales.
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 grafica de los terminales se puede apreciar que el montaje del componente es superficial SMD.
TRANSISTORES IGBT. El transistor IGBT (Insulated Gated Bipolar Transistor) es un componente utilizado cada vez más en aplicaciones Automotrices en el cual la conmutación de altas corrientes es un requisito importante , este tipo de transistores aprovechan la ventaja de un transistor MOSFET y un transistor BJT (Bipolar). En el caso de la excitación de este transistor se utiliza una compuerta aislada tipo MOSFET con lo cual se controla la conmutación por voltaje y no por corriente llevando esto mucha eficiencia a la llave electrónica. En el caso de la llave electrónica se usa un transistor BIPOPOLAR con lo que se gana conmutación sin el valor de resistencia descrito en los transistores Mosfet, este valor de resistencia presentaría un aumento en la caída de tensión a medida que aumente la corriente, mientras que en un Bipolar la caída de tensión es constante independiente de cuanta corriente conmute así que se vuelve en una unión perfecta de dos tipos de transistores en un solo encapsulado. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Como se trata de una activación por medio de un Mosfet se tendrá Gate en la excitación, y como se tiene un bipolar en la llave electrónica ahí se tendrá Colector para la fuente y Emisor para el circuito a conmutar, en la grafica se puede apreciar este arreglo.
En la estructura interna de este transistor se encuentra una organización química que usa las propiedades de los dos transistores que se comento en el párrafo anterior.
En Automotriz una de las cargas más complicadas para operar son las cargas inductivas estas son características de los sistemas de encendido por ejemplo.
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En este caso la corriente tiene una característica muy interesante porque presenta un aumento a medida que el tiempo de circuito cerrado aumenta, lo que lleva a que el conductor de esta corriente debe tener una muy eficiente conducción de lo contrario colapsaría.
El oscilograma superior presenta una característica para esta afirmación. Este fenómeno de la corriente viene acompañado en el momento de su corte con un efecto de elevación de tensión, Pico inductivo en ese momento la tensión presenta un pico que podría perjudicar una juntura débil, se podría pensar que en el momento del pico inductivo fuese como si un diodo se polarizara de forma inversa. WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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Este valor debe ser un ponto importante en la selección del transistor. En la grafica inferior se muestra la imagen de este fenómeno en donde a medida que la corriente va disminuyendo el pico de tensión aparece.
Todos estos valores estarán en la respectiva tabla de manual de los fabricantes de componentes, en la grafica inferior observaremos la identificación de de los pines de uno de estos elementos y la tabla común de valores máximos a soportar por parte de este transistor.
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Es importante apreciar que aunque la corriente continua es de 16 A, la corriente máxima pulsante es de 58 A, en el caso automotriz la mayoría de consumos altos (Casos PCM), se da por corriente que pulsan a alta frecuencia.
REGULADORES DE TENSION. Un regulador tiene como función mantener la tensión de salida “Vo” en un valor predeterminado, sobre el rango esperado de corriente de carga, independientemente de las variaciones de la corriente de la carga, la tensión de entrada al regulador Vi y la temperatura T. Si se quisiera plasmar un regulador en un diagrama de bloques lo más próximo a lograrlo en líneas generales seria lo siguiente:
Cada uno de estos bloques será explicado posteriormente, antes se quiso hablar de los parámetros más importantes que caracterizan un regulador de tensión; estos son la regulación de carga, la regulación de línea y el coeficiente de temperatura.
Regulación de carga Es el cambio de tensión de salida para un cambio específico de la corriente de carga, manteniendo constantes la tensión de entrada y la temperatura, la formula general es: REG-CARGA (%) = (Vo, cargamin - Vo, cargamáx) x 100% / (Vo, cargamin); donde Vo, cargamin es la tensión de salida con carga mínima (tensión nominal) y Vo, cargamáx es la tensión de salida con carga máxima.
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Regulación de línea Es el cambio en la tensión de salida para un cambio dado a la tensión de entrada, manteniendo constantes la corriente de salida y la temperatura la formula general es: REG-LINEA (%) = "Vo / ("Vi x Vo) x 100%; donde "Vo es el cambio en la tensión de salida para un cambio en la entrad "Vi y vo es la tensión nominal de salida. La regulación de línea es comparable a otras especificaciones como el rechazo al ripple o a la regulación de entrada
Coeficiente de temperatura Es el cambio promedio en la tensión de salida para cada 1º Celsius de cambio en la temperatura del regulador, usualmente se especifica como: T.C. (% / º C) = +/- (Vomáx - Vomin) / (Vo ref. x Tmáx -Tmin) x 100% Siendo Vomáx la tensión de salida a la máxima temperatura especificada Tmáx, Vomin la tensión de salida a la temperatura mínima Tmin y Vo ref. la tensión nominal de salida especificada a un temperatura predeterminada, en la mayoría de los casos 25º C. Como se dijo un regulador de tensión está constituido por una serie de bloques funcionales que permiten estabilizar la tensión de salida, el diagrama que se mostró antes está formado por referencia, circuito de muestreo, amplificador de error y un elemento de control, en teoría una variación de la tensión de salida Vo es detectada por el amplificador de error al comparar la referencia de tensión y el circuito de muestreo, este amplificador opera sobre el elemento de control en serie para restaurar la Vo. Antes de adentrarnos en el tema se debe hacer mención de algunas de estos bloques constituyentes de un regulador en serie.
Voltaje de referencia: esto constituye una parte fundamental de los reguladores de tensión al proporcionar una tensión de continua, muy precisa y estable con la temperatura y con el tiempo, para minimizar los errores debidos al auto calentamiento, las referencias de tensión proporcionan una corriente de salida
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moderada, típicamente en el orden de unos pocos miliamperios, están referencias están basadas en diodos zener y transistores bipolares o de salto de banda, Un diodo zener es el dispositivo más barato y simple para obtener una tensión de referencia más o menos estable, sin embargo, hay que adaptarse a los valores de tensiones zener presentes en el mercado, además estos presentan fuertes deriva térmica y el ruido de avalancha es muy elevado; estas limitaciones pueden ser resueltas en parte co0n la ayuda de un amplificador operacional, resultando un circuito con características de autorregulación. Ejemplo de esta mejora lo constituye el siguiente circuito.
Existen circuitos integrados monolíticos con características similares a la estructura anterior como el REF102 de Burr-Brown que proporcionan una tensión de referencia de tensión de 10 V compensado térmicamente que utiliza un diodo Zener de Vz = 8.2 V, la corriente máxima de salida es de 10mA su estructura interna es algo similar a lo siguiente:
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En un los PCM generalmente el Regulador de tensión debe mantener una tensión de salida constante a 5V independientemente del valor de entrada que podría variar de valores entre 12 y 15 V. Este tipo de reguladores están construidos a base de monolíticos integrados montado en un encapsulada TO 220 esta regulación además ofrece ventajas adicionales como una protección térmica y una protección contra sobre corrientes, en el caso de una sobre temperatura simplemente el circuito se abre. Una de las ventajas de estos componentes es:
Salidas de Tensión alrededor de 1 A.
No requieren componentes Externos.
Protección interna por sobre cargas de temperaturas.
Protección interna por sobre corriente.
Salida a través de un transistor Safe Area. El conexionado usual para los pines de estos componentes es como el
mostrado en la figura inferior.
Este tipo de componentes también tienen su propia carta de referencia de valores DATASHETS. El cuadro inferior se puede apreciar una de ellas para un regulador muy usual denominado 7805.
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CIRCUITO PROCESAMIENTO DE DATOS. MICROCONTROLADORES. El microcontrolador es una de las formas más básicas de un sistema con microprocesador. Aunque son mucho más pequeños que los microprocesadores personales y los grandes ordenadores, se construyen microcontroladores con los mismos elementos básicos. En el sentido más simple, los microprocesadores producen un modelo específico basado en unas entradas y unas salidas, con las instrucciones en un programa con microprocesador. Como la mayoría de microprocesadores, los microcontroladores son simplemente ejecutores de instrucciones de propósito general. La estrella real de un sistema con microprocesador, es un programa de instrucciones que son proporcionadas por un programador. Este programa le dice al microprocesador que realice largas secuencias de acciones muy simples para lograr tareas útiles como las pensadas por el programador. La inferior proporciona una vista global de un sistema con microprocesador. Simplemente cambiando los tipos de dispositivos de entrada y de salida, éste diagrama de bloques podría ser el de un microprocesador personal, un PCM O un simple un microcontrolador (MCU) de cualquier modulo del auto. Los dispositivos de entrada y de salida (E/S) mostrados en la figura son lo típicos encontrados en un sistema con microprocesador.
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Entradas de un Sistema con Microprocesador Los dispositivos de entrada proporcionan información del mundo exterior al sistema con microprocesador. En un ordenador personal, el dispositivo de entrada más común es el teclado, igual que una máquina de escribir. Los sistemas con microprocesadores normalmente usan dispositivos de entrada mucho más simples como interruptores o pequeños teclados, aunque los dispositivos de entrada más exóticos se encuentran en los sistemas basados en microprocesador. Un ejemplo de un dispositivo de entrada exótico para un microprocesador es el sensor de oxígeno en un automóvil que mide la eficacia de la combustión tomando muestras en el tubo de escape. La mayoría de entradas del microprocesador pueden procesar sólo señales de entrada digital, al mismo nivel de voltaje que el de la fuente de alimentación. El nivel 0 V o tierra se le llama VSS y el nivel positivo de la fuente de alimentación se le llama VDD y es típicamente de 5 Vdc. Un nivel aproximado de 0 voltios indica una señal lógica ‘0’ y un voltaje aproximadamente igual al nivel positivo de la fuente de alimentación indica una señal lógica ‘1’. Por supuesto, el mundo real está lleno de señales analógicas o señales que son de otros niveles de voltaje. Algunos dispositivos de entrada traducen los voltajes de señal de algún otro nivel a los niveles VDD y VSS, necesarios para el microprocesador. Otros dispositivos de entrada convierten las señales analógicas WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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en señales digitales (a valores binarios „1‟ y „0‟) para que el microprocesador los pueda entender y manipular. Algunos
microprocesadores
incluyen
circuitos
convertidores
analógicos/digitales en el mismo circuito integrado. Los transductores se pueden usar para traducir otras señales del mundo real a niveles de señal lógica (Ej. un sensor). Que un microprocesador puede entender y manipular. Algunos ejemplos que incluyen transductores, como los sensores de temperatura, sensores de presión, detectores de nivel de luz y otros. Con estos transductores, casi cualquier propiedad física se puede usar como entrada a un sistema con microprocesador.
Salidas de un Sistema con Microprocesador Se usan dispositivos de salida para comunicar la información o acciones del sistema con microprocesador al mundo exterior. En un ordenador personal, el dispositivo de salida más común es la pantalla CRT (tubo de rayos catódicos). Los sistemas con microprocesador usan a menudo dispositivos de salida mucho más simples como los LEDs, lámparas, o zumbadores. Circuitos convertidores (a veces construidos en el mismo circuito integrado microprocesador) pueden convertir señales digitales a niveles de voltaje analógicos. Del “controlador” en microcontrolador viene del hecho de que estos pequeños sistemas con microprocesador normalmente controlan algo en comparación con un ordenador personal que normalmente procesa información. En el caso del ordenador personal, la mayoría de las salidas es de información (cualquier información en una pantalla CRT o en el papel de la impresora). Por otro lado, en un sistema con microprocesador, la mayoría de las salidas son señales de nivel lógico digital, que se usan para manejar LEDs o dispositivos eléctricos como relés o actuadores Ej Inyectores.
Unidad Central de Proceso (CPU) La CPU (Central Processor Unit) es el centro de cada sistema microprocesador. El trabajo de la CPU es ejecutar obedientemente las instrucciones de un programa que le fue proporcionado por un programador. Un WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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programa con microprocesador le dice a la CPU que lea (read) la información de las entradas y que la escriba (write) a la memoria de trabajo o que lea la información de la memoria de trabajo y la escriba a las salidas. Algunas instrucciones del programa involucran decisiones simples que causan al programa continuar con la siguiente instrucción o saltar a un nuevo lugar del programa. En un capítulo posterior, se verán de cerca el juego de instrucciones disponibles para un microcontrolador en particular. En un ordenador personal, hay varios niveles de programas, empezando con el programa interno, que es el control más básico del funcionamiento del microprocesador. Otro nivel incluye programas de usuario que se cargan en la memoria del sistema cuando están a punto de ser usados. Esta estructura es muy compleja y no sería un buen ejemplo para mostrar a un principiante cómo trabaja el microprocesador. En un microcontrolador normalmente, solamente un programa en particular está trabajando para el control de una aplicación. Por ejemplo, la CPU MC68HC05 sólo reconoce 60 instrucciones diferentes, pero éstas son representativas del juego de instrucciones de cualquier sistema con microprocesador. Este tipo de sistema con microprocesador es un buen modelo para aprender el fundamento de funcionamiento de un microprocesador, porque es posible saber lo que está pasando exactamente en cada paso de la ejecución de un programa en la CPU.
Reloj (Clock) Salvo excepciones, los microprocesadores usan un pequeño oscilador del reloj (clock) para activar la CPU, para mover de un paso a la secuencia siguiente. En el capítulo de arquitectura de un microprocesador, se puede ver que incluso las instrucciones simples de un microcontrolador están compuestas de una serie de pasos aún más básicos. Cada uno de estos pasos diminutos en el funcionamiento del microprocesador toma un ciclo del reloj de la CPU.
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Memoria del Microprocesador Se usan varios tipos de memoria para los diferentes propósitos en un sistema con microprocesador. Los tipos principales de memoria encontrados en un microcontrolador son: Memorias para almacenar el Programa: ROM (Read Only Memory): memoria sólo de lectura, este tipo de memoria se programa en fábrica y se llama Máscara. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): memoria sólo de lectura, programable eléctricamente y se borra por luz ultravioleta a través de una ventana en la parte superior del dispositivo. OTP (One Time Programmable): memoria sólo de lectura, programable eléctricamente una sola vez. FLASH: memoria programable y borrable eléctricamente, por bloques. Estos tipos se usan principalmente para almacenar los programas y los datos permanentes que deben permanecer inalterados incluso cuando no hay ninguna alimentación aplicada al microcontrolador. Memoria para almacenar Datos: RAM (Random Access read/write Memory): memoria de acceso a lectura o escritura aleatorio, se usa para el almacenamiento temporal de datos y el cálculo intermedio de los resultados durante las operaciones. Este tipo de memoria pierde los datos cuando se queda sin alimentación. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): memoria sólo de lectura programable y borrable eléctricamente. La unidad más pequeña de una memoria, es de un solo bit, que puede guardar uno valor lógico „0‟ o „1‟. Estos bits se agrupan en conjuntos de ocho bits para hacer uno byte. Los microprocesadores más grandes utilizan grupos de 16 o 32 bits, llamados „palabras‟ o word. El tamaño de una „palabra‟ (word) puede ser diferente para cada microprocesador, pero un byte siempre es de ocho bits. Los ordenadores personales trabajan con programas muy grandes y con grandes cantidades de datos, para ello usan formas especiales de dispositivos de almacenamiento, WWW.AUTOSOPORTE.COM Información Ing. Armado Donado 0414-0379589 / 0414-1667123 / 0424-6730643
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llamados almacenamiento en masa, como los discos blandos, los discos duros, y los discos compactos. No es raro encontrar varios millones de bytes de memoria RAM en un ordenador personal, con discos duros con varios gigabytes o discos compactos muy similares a los usados para las grabaciones de música con una capacidad de 640 millones de bytes de memoria de sólo lectura. En comparación, los sistemas con microcontrolador típico tienen una memoria total entre 1,000 y 64,000 bytes.
Programa de un Microprocesador La Figura inferior muestra el programa como una nube, porque se origina en la imaginación del ingeniero o programador del microprocesador. Esto es comparable a un ingeniero eléctrico que piensa en un nuevo circuito o un ingeniero mecánico que deduce un nuevo ensamblaje. Los componentes de un programa son las instrucciones del juego de instrucciones de la CPU. Así como el diseñador del circuito puede construir un circuito sumador con simple puertas AND, OR y NOT, un programador puede escribir un programa para sumar números con simples instrucciones. Los programas se guardan en la memoria de un microprocesador donde pueden ser ejecutados de modo secuencial por la CPU. En el capítulo de programación, se aprenderá a escribir programas y prepararlos para ser cargados en la memoria de un microprocesador.
El Microcontrolador Hasta ahora se han visto varias partes de un sistema con microprocesador y ya se está preparado para hablar sobre los microcontroladores. En la mitad superior de la figura inferior se muestra un sistema con microprocesador genérico, con una parte adjunta de contorno punteado. Esta parte, es un microcontrolador y la mitad inferior de la figura es un diagrama de bloques que muestra su estructura interior con más detalle. El cristal no se contiene dentro del microcontrolador, pero es una parte necesaria del circuito oscilador. En algunos casos, se puede sustituir
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el cristal por un resonador cerámico que es más económico o un aún menos caro con un conjunto RC (resistencia-condensador). Un microcontrolador puede definirse como un sistema microprocesador completo, que incluye la CPU, la memoria, un oscilador del reloj, las E/S y otros periféricos en un solo circuito integrado. Cuando algunos de estos elementos como las E/S o la memoria no están incluidos, al circuito integrado se le llama microprocesador. La CPU de un ordenador personal es un microprocesador.
En la imagen se puede observar un ejemplo de un PCM, donde se puede ver: 1. Procesador (y en el caso de no ser esta su memoria principal Microcontrolador). 2. Memoria. 3. Cristal.
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