Kitabı oku: «Mantenimiento del sistema de carga con alternador. TMVG0209»

Capítulo 1
Acumuladores para automóviles
1. Introducción

La aplicación de la tecnología eléctrica a la automoción ofrece unas posibilidades inmensas. Su utilidad va desde el arranque del motor de explosión, aplicando una serie de pequeñas chispas para la inflamación de la mezcla que se encuentra comprimida en una cámara estanca, hasta la alimentación del motor de arranque que proporciona los primeros giros del motor térmico, pasando por el suministro de todos los sistemas de iluminación del vehículo, tanto interiores como exteriores. También es la responsable del funcionamiento de todos los dispositivos eléctricos/electrónicos que mejoran la seguridad y el confort de los automóviles.

Para al buen funcionamiento de todos estos elementos será necesario el suministro de forma constante y eficiente de una corriente eléctrica. Esta deberá ser convenientemente distribuida a todos los dispositivos a través de un complejo circuito eléctrico.

El elemento encargado del suministro de esta corriente será la batería. Este dispositivo es la pieza clave para el buen funcionamiento de todos los sistemas eléctricos presentes en un automóvil, y será el objeto de estudio de este capítulo, donde se describirá de forma detallada los distintos tipos de acumuladores, las partes que los constituyen, así como sus características eléctricas.

Pero antes de desarrollar esta parte se repasarán una serie de conceptos que son muy útiles para entender mejor el funcionamiento de las baterías de acumuladores.

2. Disoluciones y electrólitos

Para conocer mejor el funcionamiento de una batería de acumuladores y saber por qué este dispositivo es capaz de suministrar energía a cualquier sistema eléctrico, hay que tener claros los conceptos básicos de disoluciones y electrólitos.

Ambos darán la clave de cómo la interrelación de ciertos elementos químicos pueden tener como consecuencia la creación de energía eléctrica.

2.1. Disoluciones

Una disolución es un compuesto formado por varios elementos que no interaccionan entre sí. Por norma general, uno de esos elementos será un sólido que se encuentra disuelto en un líquido.

Para poder alterar el comportamiento de estos elementos químicos y hacer que reaccionen entre sí será necesario aplicar una corriente eléctrica. Aquellas disoluciones que facilitan el paso de corriente eléctrica a través de ellas son llamadas conductoras.

Disolución

Importante

Las disoluciones conductoras facilitan el paso de corriente eléctrica a través de ellas y se pueden considerar en sí mismas como electrólitos.

2.2. Electrólitos

Un electrólito es toda sustancia, compuesta por iones libres, que permite el paso sin problema de corriente eléctrica a través de ella. Por ello, las disoluciones conductoras se pueden considerar en sí mismas como electrólitos.

En el caso de la automoción, el electrólito es uno de los componentes indispensables de los que están constituidas las baterías para automóviles. El electrólito utilizado en baterías para automóviles es el agua acidulada (agua destilada + ácido sulfúrico puro). Se usa como medio conductor entre las placas en las que están divididos los acumuladores.

3. La electrólisis

Se llama electrólisis al proceso por el cual se separan los elementos de los que está constituido un compuesto químico mediante la aplicación de una descarga eléctrica.

Sabía que...

William Nicholson descubrió la electrólisis de manera fortuita mientras investigaba el funcionamiento de las baterías a principios del siglo XIX.

3.1. Definición

Como se ha dicho anteriormente, al aplicar una corriente eléctrica a un compuesto se obtendrá la disociación de dicho compuesto en los distintos elementos que lo constituyen. La consecuencia directa de la descomposición de un compuesto en varios elementos mediante electrólisis será la aparición de iones.

La electrólisis es de suma importancia para la automoción, ya que en ella se basa el funcionamiento de las baterías o pilas, aplicando este proceso químico al electrólito que contiene el acumulador.

Recuerde

Un ión es una “especie” química cargada eléctricamente, pudiendo esta ser positiva o negativa, llamados cationes (atraídos por los cátodos) y aniones (atraídos por los ánodos), respectivamente. En los aniones se encuentran más electrones que protones; mientras que los cationes se caracterizan por haber perdido electrones.

3.2. Ejemplo de reacción de electrólisis

Durante el proceso de electrólisis se sumergen dos placas metálicas en una cuba que previamente se habrá llenado con alguna disolución.

Más tarde, estas placas se conectarán a una batería eléctrica. Si se cierra el circuito presionando un interruptor, pasará corriente a través del electrólito, que se descompondrá en iones y estos reaccionarán químicamente con las placas.

Los aniones pasarán al ánodo o placa (+) mientras que los cationes se dirigirán hacia el cátodo o placa (-). Durante todo el proceso de electrólisis se liberarán diferentes gases, que dependerán del tipo de disolución empleada.

Actividades

1. Buscar ejemplos en la vida diaria donde se haga uso de disoluciones.

2. Realizar un montaje como el que se describe a continuación.

El ejemplo más comúnmente utilizado con fines didácticos es el de la electrólisis del agua, ya que es el más fácil de implementar debido a la facilidad con que se pueden adquirir los materiales para su realización.

Este proceso consiste en la descomposición del agua (H₂0) en oxígeno e hidrógeno (gases), mediante una corriente eléctrica suministrada por una fuente de poder conectada a unas placas (ánodo y cátodo), que a su vez están sumergidas en el agua.

El hidrógeno (H₂) migrará hacia el cátodo (-), mientras que el oxígeno (O₂) migrará hacia el ánodo (+).

La electrólisis del agua pura es industrialmente inviable, ya que la disociación de este líquido requeriría una gran cantidad de energía y por lo tanto es cara.

En la siguiente imagen se observa un ejemplo a seguir de cómo debería ser el montaje práctico.

Electrólisis del agua

4. Batería de acumuladores

Una vez aclarados estos términos químicos básicos se puede pasar ya a la definición y a la descripción funcional de una batería de acumuladores genérica.

4.1. Finalidad de la batería

La batería es un dispositivo acumulador de energía que sirve de ayuda en el momento en el que se quiere arrancar un vehículo, proporcionando una corriente fiable y constante a todos los dispositivos responsables de poner en marcha al automóvil.

Ejemplo de batería de acumuladores

4.2. Funcionamiento de la batería

Estos dispositivos están constituidos por una serie de elementos químicos que al transformarse y combinarse entre sí, debido a la aplicación de una corriente eléctrica, darán lugar a la carga de dicho acumulador (electrólisis). Dicha corriente que permite la carga de la batería es generada por el alternador del automóvil.

Importante

El funcionamiento de las baterías de acumuladores se basa en el proceso de electrólisis.

Este proceso de carga puede darse en sentido inverso cuando los elementos que constituyen el acumulador vuelven a su estado original. Es decir, la batería produce energía eléctrica que será aprovechada posteriormente para alimentar cualquier sistema eléctrico del vehículo. Mientras se mantiene el suministro de electricidad a cualquier circuito del automóvil, se produce lo que se llama proceso de descarga de la batería.

4.3. Batería acumulador

Las pilas o baterías son dispositivos que convierten la energía química en energía eléctrica. En teoría, podrán producir electricidad de forma indefinida, siempre y cuando los componentes que las constituyen no se degraden con el paso del tiempo o bien debido al mal uso.

Por tanto, es el principal almacenador y suministrador de corriente en un vehículo, ya que los generadores no son capaces de suplir las necesidades de los modernos sistemas eléctricos de los automóviles actuales cuando el motor térmico está apagado o funcionando a bajas revoluciones.

Aunque se puede encontrar en el mercado multitud de tipos de baterías, cabe destacar que los acumuladores comúnmente utilizados en automoción son las baterías de acumuladores de plomo-ácido.

Sabía que...

En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido, la primera que pudo recargarse haciendo pasar una corriente en sentido inverso a través de ella.

Actividades

3. En el mercado hay varios tipos de baterías de acumuladores. Buscar información y hacer un breve resumen de las ventajas y desventajas de cada una de ellas y sus aplicaciones.

4. En este apartado se ha hecho mención al alternador como elemento que interviene en el proceso de carga de las baterías. Un ingenio de uso “cotidiano” que se asemeja constructiva y funcionalmente a un alternador es una dinamo para generar luz en una bicicleta. Informarse acerca del funcionamiento de estos dispositivos y hacer un breve resumen, aportando esquemas, dibujos, etc.

5. Estructura y componentes de un acumulador de plomo

Las baterías que se pueden encontrar en cualquier vehículo están basadas en la misma estructura. Dicha estructura, denominada monobloque, se encuentra dividida en celdas, y estas a su vez subdivididas en láminas que contienen sustancias activas.

Todas estas placas se hallarán convenientemente aisladas unas de otras y constituirán un conjunto rígido.

El sistema, a su vez, estará interconectado en serie entre sí, por medio de puentes de unión, encontrándose toda la estructura sumergida en un electrólito.

El monobloque quedará completamente cerrado de forma estanca, usando para ello en la parte superior una tapa, que se encontrará perforada para permitir la transpiración de los gases que genera el acumulador durante su funcionamiento. También en la tapa se encontrarán los bornes de la batería, uno positivo y otro negativo, y que servirán para la interconexión de esta con el resto del circuito eléctrico del automóvil.

A continuación se detallará de forma precisa cada una de las partes en las que está constituida una batería de acumuladores.

Recipiente o monobloque

El recipiente es la estructura encargada de dar soporte y protección a los elementos de los que está constituida la batería. Para tal fin, se fabrican con plástico altamente resistente, capaz de soportar la corrosión del ácido sulfúrico.

En la base del monobloque se pueden encontrar unos pilones salientes que harán de apoyo para las placas. Entre estos pilones se irán depositando los residuos generados por el desprendimiento de las sustancias activas de las placas debido al uso. Si las placas entrasen en contacto con los residuos, se podría generar un cortocircuito (unión de unas placas con otras), que con el tiempo degradaría o provocaría la inoperancia del acumulador.

Importante

El recipiente o monobloque se fabrica con plástico muy resistente que es capaz de soportar la corrosión de ácido sulfúrico.

Tapa

Es el elemento que cierra el recipiente en su parte superior. En la imagen siguiente se puede distinguir una tapa de batería, donde se aprecian los orificios de aireación, y que permiten el llenado de la batería con agua destilada. Además, se distinguen las bornes del acumulador, uno positivo (color rojo) y otro negativo (color negro).

Tapa de una batería

Placas

El número de placas que posee un acumulador siempre dependerá del fabricante. La capacidad de la batería está subordinada al número de placas que contenga. Así, mientras más placas posea, mayor será el amperaje de esta.

El número de placas siempre será impar, generalmente es de 9, 11, 13, o 15, y se dispondrán siempre comenzando por una placa negativa, a la que le seguirá una positiva.

El objetivo de estas placas es aprisionar sobre los múltiples agujeros de los que están compuestas su plomo, la materia activa que se originará al producirse las reacciones químicas pertinentes.

El conjunto de pequeños agujeros de las placas será diferente para las negativas y las positivas, ya que la materia activa se adherirá a cada una de ellas de forma diferente, debido a que el material del que están fabricadas es también distinto. Las positivas están fabricadas a partir de plomo con bajo contenido de antimonio y, posteriormente, empastadas con peróxido de plomo, mientras que las negativas se fabrican en plomo/calcio.

Importante

Las placas positivas se fabrican de plomo con bajo contenido de antimonio y empastadas con peróxido de plomo; y las negativas, de plomo/calcio.

Al conjunto de placas positivas y negativas se les llama armadura. En la siguiente imagen se pueden apreciar los tipos de placas (+) y (-).

Ejemplos de placas positivas y negativas

Elementos

Al conjunto de placas unidas entre sí por interconectores se les llama elementos. Estas placas son de dos tipos, positivas y negativas, y están aisladas por separadores.

Separadores

Para aislar las placas entre sí y evitar el mal funcionamiento de la batería a causa de un cortocircuito se usarán los llamados separadores. Originalmente, los separadores se construían en madera de cedro, intercalándose entre cada una de las caras de cada placa. Actualmente, se usan productos sintéticos para su fabricación, siendo los más comunes cauchos o gomas (plásticos) porosas sobre superficies de algodón, etc.

En la siguiente imagen, se aprecia con detalle el conjunto formado por las placas, separadores y elementos que se pueden encontrar en una batería de acumuladores.

Diagrama con las distintas placas, elementos y separadores de una batería

Electrólito

El electrólito usado en las baterías de acumuladores para automóviles está compuesto por una mezcla de agua destilada (H₂O) y ácido sulfúrico puro (H₂SO₄). Debido al efecto corrosivo de este último, hay que tomar las medidas de seguridad pertinentes cuando se vaya a manipular en caso de sustitución, para así evitar quemaduras en las manos.

Sabía que...

Generalmente el ácido sulfúrico se obtiene a partir de dióxido de azufre, por oxidación con óxidos de nitrógeno en disolución acuosa.

En la siguiente imagen, se puede observar la gran variedad de marcas suministradoras de agua destilada presentes en el mercado.

Agua destilada

Actividades

5. Dibujar a mano alzada una batería de acumuladores e identificar todas las partes de las que está constituida.

6. Localizar una batería de acumuladores y observar la tapa de esta. Deberá reconocer las diferentes partes que la componen.

Para terminar con este apartado, se incluye, a modo de repaso, la imagen de una batería de acumuladores, donde se detalla de forma gráfica todas las partes de la que está constituida.

Recuerde

La unidad de medida de la tensión es el voltio y se representa por “V”. Mientras que la unidad de la intensidad de corriente es el amperio, y se representa “A”. Al mismo tiempo, la resistencia es representada por “r”, y su unidad es el ohmio, siendo su símbolo “Ω”. Todas estas magnitudes se pueden relacionar mediante la ley de Ohm, cuya fórmula es la que sigue: V (v) = I (A) x R (Ω).

6. Proceso de carga y descarga de una batería de acumuladores

Como ya se ha visto, el funcionamiento de una pila o batería de acumuladores es bastante complicado desde el punto de vista químico.

Por ello, para desarrollar este apartado y para entender mejor los procesos electroquímicos que se dan lugar en el interior del acumulador, se reducirá la estructura de la batería a un cubo con electrólito en el que se sumergirán dos placas, una positiva (+) y otra negativa (-), pudiendo después extrapolar el funcionamiento de este modelo a uno real.

En el inicio, se supone que la batería se encontrará completamente cargada, a la cual se conectará un circuito eléctrico consumidor de corriente. En un caso real, este circuito podría tratarse del sistema de alimentación de luces de cualquier vehículo; y en un caso más sencillo podría ser, por ejemplo, una bombilla conectada a una simple pila, y cuyo encendido dependerá del cierre de un interruptor, como se ve en la siguiente imagen:

Como se ha dicho, las placas se encontrarán inmersas en el electrólito (agua acidulada), y se tendrá como materiales activos el dióxido de plomo (PbO₂) en la placa positiva (+) y el plomo (Pb) en la placa negativa (-).

En la siguiente imagen, se puede apreciar un esquema simplificado de una batería de acumuladores a plena carga:

Establecidas las condiciones de partida, se detallarán a continuación los procesos de descarga y carga de una batería.

6.1. Proceso de descarga

En el mismo instante en el que se conecta el circuito eléctrico a la batería de acumuladores, comienza a circular corriente. Esta siempre circulará en el sentido (+) à (-); es decir, partirá de la placa positiva, circulará a través del hilo conductor, alimentará cualquier aparato consumidor de corriente (bombilla) y, de nuevo, llegará a la placa negativa de la batería a través del hilo conductor, cerrando así el circuito.

¿Cómo saber si está descargada?

Los fenómenos químicos que se dan en el interior de la batería propician la formación de sulfato de plomo en la placa positiva, liberando oxígeno e hidrógeno. La consecuencia directa de este fenómeno es la liberación de los electrones al circuito exterior. Tomando como sentido de desplazamiento el mencionado anteriormente: (+) → (-).

Mientras tanto, en la placa negativa el plomo reaccionará con el ácido sulfúrico del agua acidulada. Esta reacción permitirá la cesión de electrones del circuito exterior y, además, liberará hidrógeno, que junto al oxígeno formará agua.

En este momento, aumentará la cantidad de agua, variando las proporciones del electrólito, que verá disminuido la densidad de ácido sulfúrico, hecho que hay que tener en cuenta para conocer el estado de carga del acumulador.

Importante

La bajada de densidad del ácido sulfúrico produce la descarga de la batería.

En la imagen siguiente se muestra el diagrama simplificado de una batería completamente descargada.

En la siguiente imagen, se puede apreciar el funcionamiento simplificado de la descarga de una batería.

Proceso de carga

El proceso más sencillo para cargar una batería es el de interconectar otro generador en paralelo con el ya descargado. Con esto se conseguirá que se inviertan los procesos químicos del proceso de descarga, consiguiendo el aumento de la densidad del ácido sulfúrico en el electrólito.

Hay que tener en cuenta la desconexión del generador dispuesto en paralelo, ya que si se prolonga la carga más de lo debido se dará el fenómeno de la electrólisis, rompiendo las proporciones de H₂SO₄ y H₂O del electrólito debido a la pérdida de agua.

El esquema simplificado del proceso de carga en una batería se detalla a continuación en la imagen, donde se puede apreciar el sentido inverso de la corriente en el circuito.

Cada elemento eléctrico posee un símbolo normalizado, empleados para su reconocimiento e implementación en el diseño de circuitos. A continuación se muestran los símbolos de los elementos básicos que se pueden encontrar en cualquier circuito:

Actividades

7. Simular el circuito de alimentación e iluminación de un vehículo, montando un circuito eléctrico básico donde se utilice como elemento consumidor de corriente una bombilla. Determinar a cuál de los procesos descritos en este apartado pertenece el funcionamiento de la pila al cerrarse el interruptor y deducir cuál es el sentido de la corriente.

8. Utilizando el mismo montaje eléctrico, indicar cuál sería el sentido de la corriente en el proceso contrario al obtenido en la solución de la actividad anterior. Igualmente, indicar qué dispositivo realizaría dicho proceso.

7. Características eléctricas de las baterías

En el caso de que se quiera sustituir la batería de un automóvil, se tendrán en cuenta una serie de características eléctricas que son las que definen a cualquier batería de acumuladores. Existen muchos tipos de baterías, y cada marca automovilística usará un tipo de acumulador con unas especificaciones eléctricas para cada uno de sus modelos. Es lógico pensar que un coche de gama alta, con más prestaciones y sistemas electrónicos y eléctricos, tendrá unas necesidades de consumo energético más altas que un vehículo utilitario.

Nota

Las necesidades eléctricas suelen ser diferentes en cada tipo de vehículo.

Por todo ello, para la elección de la batería, se tendrán en consideración los parámetros eléctricos que se enumeran a continuación:

1 Capacidad.

2 Tensión.

3 Corriente de descarga.

4 Rendimiento.

Se pueden asociar las baterías entre sí para obtener otra equivalente con unas características eléctricas mayores (tensión y capacidad). Hay varias formas de asociarlas: en serie, en paralelo o una mezcla de las dos anteriores. En serie se une el borne negativo (-) de una con el positivo (+) de la otra. Mientras que en paralelo, todos los bornes positivos (+) quedan unidos y los negativos (-) también, estando ambos por separado. A continuación, se muestran las distintas configuraciones:

7.1. Capacidad

Al tratarse las baterías de dispositivos almacenadores de energía, hay que comenzar definiendo el parámetro eléctrico que indica la cantidad de energía que un acumulador puede almacenar. A este parámetro se le conoce con el nombre de capacidad.

Entendemos por capacidad la cantidad de energía eléctrica que una batería puede acumular y, por ende, suministrar cuando se encuentra totalmente cargada, hasta el momento de agotarse por completo.

Sabía que...

Para asociar baterías en serie, se debe tener en cuenta que todas tendrán la misma capacidad. Si se asocian en paralelo, la forma de obtener la capacidad total es sumándolas.

Se representa por el símbolo “C” y la ecuación matemática que define este parámetro es:

Donde “I” es la intensidad de corriente (amperios) y “t” es el tiempo (horas) que tarda la batería en descargarse. Siendo la unidad de la capacidad, amperios-hora (Ah).

Es importante destacar que la capacidad de una batería es un parámetro variable, dependiente de otros como son:

1 Cantidad de materia activa: vendrá determinada por el número de placas que posea cada elemento.

2 Tamaño de la superficie de las placas: cuanto más grande sea la superficie de las placas que constituyen los elementos, mayor será la capacidad.

3 Número de placas de la batería.

4 Temperatura: la temperatura es un factor muy importante a tener en cuenta debido a los componentes de los que están constituidos los acumuladores. Este parámetro influye en la carga y descarga de estos dispositivos, siendo la temperatura ambiente (25 °C) la idónea para el trabajo. A temperaturas muy por debajo de cero (-15 °C), el rendimiento del acumulador se puede reducir hasta un 50%.

5 Régimen de descarga: se llama régimen de descarga al tiempo total que una batería tarda en descargarse totalmente. Cuanto más lenta sea la descarga del acumulador mucho mejor.

7.2. Tensión

Cualquier circuito tiene unas especificaciones eléctricas de trabajo que hay que cumplir. Es decir, si se trabaja con una máquina eléctrica para cuyo funcionamiento se necesitan 6 V, hay que elegir una batería que suministre esa tensión de forma eficiente y constante.

Si se eligiera una de 12 V, lo más seguro es que se rompan los márgenes de tensión de trabajo especificados por el fabricante de esa máquina, que se terminaría por romper.

Por ello otra característica eléctrica a tener en cuenta de las baterías es la tensión.

Importante

La tensión que debe entregar una batería debe ser alta, por tanto la resistencia interna que posee una batería debe ser muy baja.

Se pueden diferenciar varios tipos de tensión:

1 Tensión nominal: dependerá del número de elementos y placas que contenga la batería.

2 Tensión en vacío: es la tensión medida en bornes de la batería sin estar esta conectada al circuito de carga. La forma más fácil de hallar esta tensión prescindiendo de un aparato de medida es teniendo en cuenta el número placas del acumulador y las tensiones de cada elemento, sabiendo que cada uno tiene un valor aproximado de 2,2 V.

3 Tensión eficaz: es la tensión medida en bornes de la batería cuando esta se encuentra conectada al circuito eléctrico y, por tanto, en proceso de descarga. La ecuación matemática que la define es la que sigue:

Donde:

1 E = tensión eficaz.

2 Ev = tensión en vacío.

3 I = intensidad de la corriente en régimen de descarga.

4 Ri = resistencia interna del acumulador.

Nota

Si se disponen las baterías en paralelo, todas deberán tener la misma tensión, ya que si no es así, el acumulador de mayor tensión se descargará sobre el que tenga menos tensión

Aplicación práctica

¿Cuál es la tensión, resistencia y capacidad de una batería de acumulador, después de haber asociado en serie dos baterías con las siguientes características?

1 batería de 12 V / 60 Ah y 0,2 Ω

1 batería de 3 V / 60 Ah y 0,3 Ω

SOLUCIÓN

Al estar conectadas las baterías en serie, se sabe que la capacidad debe ser la misma para todas. Por tanto:

La tensión será:

Y su resistencia vendrá dada por la expresión:

Aplicación práctica

Esta vez las baterías estarán dispuestas en paralelo. Siendo sus características las siguientes:

1 batería de 12 V / 60 Ah y 0,2 Ω

1 batería de 12 V / 40 Ah y 0,2 Ω

Calcular los mismos parámetros que en la actividad anterior.

SOLUCIÓN

Al estar conectadas las baterías en serie, se sabe que la capacidad debe ser la misma para todas. Por tanto:

La tensión será:

Y su resistencia vendrá dada por la expresión:

7.3. Intensidad de corriente (i)

Se sabe que la temperatura afecta al buen funcionamiento de una batería de acumuladores. Para definir los distintos tipos de corriente, habrá que tener en cuenta la temperatura a la que esta se suministra.

1 Intensidad de corriente de arranque: se define como la intensidad de corriente (I) máxima que el acumulador puede suministrar durante el arranque a una temperatura de 0 °C y en un tiempo determinado que no exceda de los 30 s.

2 Intensidad de corriente en frío: se define como la corriente que se puede suministrar en condiciones de temperatura extrema (-18°) durante medio minuto.

3 Intensidad de corriente en caliente: es la corriente suministrada por el acumulador durante el arranque, a una temperatura de trabajo óptima 25 °C.

7.4. Rendimiento

El rendimiento es otro de los factores importantes a tener en cuenta.

Se define como la relación entre los amperios-hora (Ah) entregados al circuito al que alimenta hasta su total agotamiento, y los amperios-hora (Ah) necesarios para poder cargarla de nuevo.

El rendimiento se medirá en % y dependerá del régimen de descarga de la batería de acumulador. Por norma general, el rendimiento de una batería de plomo estará en torno al 85%.

Importante

Los valores típicos de rendimiento para las baterías de plomo-ácido están en torno al 85%.

Actividades

9. Por norma general, las especificaciones eléctricas básicas de un acumulador (capacidad y tensión) se detallan en una pequeña etiqueta pegada en uno de los dorsales del acumulador. Identificar cuáles son las características eléctricas de la batería de su vehículo y compararlas con la de otro automóvil de distintas prestaciones.

10. Adquirir una hoja de especificaciones de una batería e interpretar todos los datos referentes a las características eléctricas.

Aplicación práctica

Se necesita saber cuál es la resistencia interna de una batería de acumuladores de 6 elementos, cuya corriente de descarga en frío es de 300 A y su tensión eficaz es de 12 V.

SOLUCIÓN

Se sabe que cada elemento que constituye una batería plomo posee por norma general una tensión de 2,2 V. Si esta batería tiene 6, harán un total de 13,2 V. Por tanto, ya se tiene la tensión en vacío. Si se sabe que su intensidad es de 300 amperios y que su tensión eficaz es de 12 V, se utilizará la fórmula de la tensión eficaz donde se despeja la Ri, quedando:

8. Resumen

Al inicio de esta unidad se han aclarado conceptos básicos de la química, como son la definición de los términos de disolución, electrólito y electrólisis. Esta breve introducción teórica permite tener una visión más clara acerca del funcionamiento, desde el punto de vista químico, de una batería de acumuladores y de cuáles son las consecuencias de las reacciones químicas que se dan en su interior: la creación de electricidad.

Posteriormente, se definió el concepto de batería de acumuladores, donde se aplicaron los conocimientos químicos básicos aprendidos, para entender su modo de trabajo y explicar los procesos de carga y descarga propios de este tipo de dispositivos.

También se han detallado cada una de las partes de las que están constituidas las baterías de plomo ácido, así como la enumeración de todas las características eléctricas que la definen.

Para concluir, se incluye un esquema donde se representan las distintas partes de una batería de plomo-ácido típica:

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Una disolución es...

1 a. ... un compuesto formado por varios elementos que no interaccionan entre sí y uno de ellos es un sólido disuelto.

2 b. ... el ácido sulfúrico.

3 c. ... el agua.

4 d. Todas las opciones son incorrectas.

2. De las siguientes frases, indique cuál es verdadera o falsa.

a. El electrólito no tiene nada que ver con el funcionamiento de las baterías.

1 Verdadero

2 Falso

b. Un electrólito puede ser agua acidulada.

1 Verdadero

2 Falso

c. El ácido sulfúrico no es corrosivo

1 Verdadero

2 Falso

d. Para saber si una batería se encuentra descargada hay que tomar como referencia la disminución de densidad de ácido sulfúrico en el electrólito.

1 Verdadero

2 Falso

3. Complete las siguientes oraciones.

1 a. Unión es una “especie” química cargada eléctricamente, pudiendo ser positivo y __________.

2 b. En los ______________ se encuentran más electrones que protones.

4. Una batería de acumulador...

1 a. ... consiste en un dispositivo que no acumula energía en ningún caso.

2 b. ... proporciona una fuente de energía que no será constante.

3 c. ... servirá de ayuda en el momento en el que se quiera arrancar un vehículo, proporcionando una corriente fiable y constante a todos los dispositivos responsables de poner en marcha al automóvil.

4 d. Todas las opciones son incorrectas.

5. Relacione los siguientes elementos.

1 a. Monobloque.

2 b. Orificios de aireado.

3 c. Separadores.

1 __ Tapa.

2 __ Aislante.

3 __ Soporte de batería.

6. Un electrólito...

1 a. ... consiste en agua destilada y ácido sulfúrico.

2 b. ... permite la conducción de la electricidad a través de él.

3 c. ... no permite la conducción de la electricidad a través de él.

4 d. Las respuestas a. y b. son correctas.

7. La estructura de una batería de acumulador de plomo...

1 a. ... está formada solo por el monobloque y las placas.

2 b. ... no contienen aislantes en su interior para separar las placas entre sí.

3 c. ... tiene una tapa en la parte superior para cerrar de forma estanca el monobloque.

4 d. Todas las opciones son incorrectas.

8. ¿Por qué fórmula viene determinada la ley de Ohm?

1 a. V = I x R

2 b. E = Ev - I x Ri

3 c. E = M / T

4 d. Todas las opciones son incorrectas.

9. Relacione los siguientes elementos.

1 a. Tensión eficaz.

2 b. Temperatura ideal de funcionamiento.

3 c. Placas.

4 d. Aumento de densidad de ácido sulfúrico.

5 e. Proceso de descarga

1 __ Sustancia activa.

2 __ Proceso de carga.

3 __ Parámetro que condiciona la capacidad del acumulador.

4 __ Formación de sulfato de plomo en la placa positiva.

5 __ E = Ev - I x Ri

10. ¿Con qué expresión se calcularía la resistencia total de un conjunto de acumuladores dispuestos en paralelo?

Capítulo 2
Carga y verificación de acumuladores
1. Introducción

Durante el capítulo anterior, se analizaron los principios químicos en los que se basa el funcionamiento de una batería de acumuladores. Además, se describieron los procesos de carga y descarga así como todas las partes y parámetros eléctricos asociados a estos dispositivos.

A lo largo de esta segunda unidad se tendrán en cuenta todos los conocimientos introductorios para poder llevar a cabo la inspección y el mantenimiento de un acumulador, y así prevenir o solucionar de forma eficiente cualquier avería que pueda inutilizar de forma temporal la batería de un vehículo.

Además, se describirán las herramientas utilizadas para realizar el pertinente mantenimiento preventivo y correctivo, y el modo de llevar acabo la instalación correcta de estos dispositivos almacenadores de energía en caso de sustitución como consecuencia de la inoperancia total.

También hay que tener en cuenta que para poder llevar a cabo estos procedimientos es necesario tener claro algunos conceptos básicos. Por ello se realizará primero la descripción de un elemento indispensable en muchos circuitos eléctricos: el transformador.

2. Transformadores

Multitud de aparatos eléctricos necesitan un determinado valor de tensión y corriente para su funcionamiento. En ocasiones, la fuente de energía suministra una señal a un determinado valor, que no es válido para el aparato al que va a suministrar. Por ello, es necesario utilizar un dispositivo “intermediario” que coja esa señal procedente de la red eléctrica con un determinado valor y la transforme en una señal con un valor que sea útil para alimentar al equipo eléctrico o electrónico. El elemento que se encarga de realizar ese cambio en el valor de la señal se denomina transformador.

Pero antes de analizar estos dispositivos se definirán los siguientes conceptos básicos:

1 Corriente alterna. Se hace referencia a ella con las siglas “CA” (“AC” en inglés). Se define como una señal cuya polaridad va cambiando constantemente a lo largo del tiempo. Existen varios tipos de señales alternas, pero en este capítulo solo se hablará de corriente alterna monofásica. Hay que tener en cuenta que una señal alterna puede representar tanto la tensión como la intensidad de corriente, siendo esta última algo más pequeña que la anterior si se trabaja con valores referentes al mismo circuito (ley de Ohm). En la siguiente imagen se muestra una señal alterna de una determinada tensión (V) que oscila a lo largo del tiempo (t). Nota: La corriente alterna es utilizada debido a la facilidad que presenta para ser distribuida y transformada.

1 Corriente continua. Se representa con las siglas “CC” (“DC” en inglés). Se define como el flujo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial y siempre en el mismo sentido.

Una vez aclarados estos conceptos previos se describirán a continuación los transformadores.

2.1. El transformador

Se puede definir al transformador como un elemento eléctrico al cual se aplica a su entrada una señal alterna de un determinado valor, obteniéndose a la salida una señal también alterna pero de distinto valor e igual frecuencia que la primera.

El símbolo eléctrico que define a un transformador se recoge en la imagen siguiente.

En su forma constructiva más simple, el transformador está constituido por dos bobinas con diferente número de espiras, primario y secundario. Este primario y secundario corresponderán a la bobina de entrada y salida, respectivamente, y estarán montadas alrededor de un nucleo ferromagnético. Las bobinas se representan en el esquema de la anterior imagen por las dos espiras, mientras que las dos líneas verticales indican el nucleo del transformador.

Importante

Los devanados inductores primario y secundario de un transformador tienen siempre distinto número de espiras.

En la siguiente imagen se muestra un transformador real, donde se enumeran todas las partes.

Existen multitud de transformadores, entre ellos, algunos también poseen una tercera bobina llamada terciario. Esta última tendrá una tensión menor que el arrollamiento secundario.

En la siguiente imagen, se aprecia el esquema de un transformador con un tercer devanado.

2.2. Principio de funcionamiento

Cuando se hace circular una corriente a través de una bobina, esta generará un flujo magnético. En sentido inverso, si se aplica un campo magnético a una bobina, se creará en esta una corriente eléctrica. A este fenómeno se le conoce con el nombre de inducción electromagnética y en él se basa el principio de funcionamiento de los transformadores.

Sabía que...

El fenómeno de la inducción electromagnética fue descubierto por Michael Faraday, quien lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Si se aplica una señal a la entrada de un transformador, la circulación de la corriente a través del primario generará un campo magnético. Este campo magnético, debido a la inducción electromagnética, generará en el arrollamiento secundario la circulación de una corriente de distintas características que la que circula en el primer inductor.

A continuación, se muestra un esquema simplificado de las corrientes que se producen en el primario (Ip) y en el secundario (Is), así como las tensiones de cada devanado (Ep y Es).

Cada arrollamiento del transformador es una bobina, llamada también inductor. Se puede considerar como bobina simple a un hilo conductor enrollado circularmente. A cada bucle se le denomina espira.

El símbolo eléctrico de los inductores es el que se muestra a continuación:

2.3. Relación de transformación

Como se ha dicho en los apartados anteriores, el transformador es un dispositivo que al aplicar una señal a la entrada proporcionará otra a la salida de diferente valor a la inicial. Por ello, se deduce que existirá una relación directa entre los dos devanados del transformador.

A esta interrelación entre los voltajes del devanado primario y secundario del transformador se la llama relación de transformación, la cual se encontrará ligada al número de espiras de cada bobina que constituye el transformador.

Importante

La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada.

La ecuación matemática que define esta relación es la que sigue:

Donde “Rt” será la relación de transformación, “Ns” será el número de espiras del secundario y “Np” el número de espiras del primario.

2.4. Leyes básicas de transformación

Además de la relación de transformación, existen una serie de ecuaciones matemáticas que definen a estos dispositivos. Gracias a ellas se pueden relacionar las tensiones, intensidades de corriente y el número de espiras de los devanados que componen estos dispositivos.

Como ya se ha dicho, las tensiones están íntimamente relacionadas con el número de bucles de cada inductancia. Véase el siguiente ejemplo: si en el primario tenemos una tensión de 12 V (voltios), y el número de espiras del secundario es dos veces mayor que el número de espiras del primario, la tensión del secundario será de 24 V.

Esto se traduce matemáticamente de la siguiente manera:

En cuanto a las intensidades de corriente de cada bobina, hay que decir que son inversamente proporcionales a las tensiones de los devanados, siendo su expresión matemática la que se muestra a continuación:

En la siguiente imagen, se muestra el esquema de un transformador donde se detallan todas las tensiones e intensidades que intervienen en él, así como su relación de transformación.

Existen otros factores a tener en cuenta en el caso de que se quiera dimensionar un transformador. Por ejemplo, se podría averiguar el número de espiras que debería tener el primario si se conoce el valor del área del núcleo y el voltaje de la señal que se le va a aplicar. Incluso se podría averiguar la potencia a la salida del transformador tomando como dato de partida el área del núcleo.

En tal caso, el diseño y fabricación de transformadores no es el objetivo de esta unidad, de modo que no se hará más hincapié en este sentido.

Actividades

1. Confeccionar una lista donde se detalllen todos los tipos de transformadores que existen actualmente en el mercado.

2. Dibujar a mano alzada un transformador indicando todas las tensiones e intensidades de corriente que intervienen en dicho dispositivo. Indicar también el núcleo, bobinas que lo constituyen, fuente de alimentación del dispositivo, circuito al que alimenta, etc.

Aplicación práctica

Aplique las leyes de transformación y obtenga la tensión en el primario de un transformador, sabiendo que el número de espiras del secundario es 400 y su tension Vs = 120 V. Dato: Rt = 2.

SOLUCIÓN

Al conocer la Rt y el Ns se puede hallar Np, entonces se parte de:

Sabiendo Np, por las leyes de transformación se puede hallar la tensión del primario:

Se comprueba que al tener el secundario el doble número de espiras que el primario, la tensión en este último será la mitad que la tensión a la salida del transformador.

Aplicación práctica

Aplique las leyes de transformación y obtenga la tensión en el secundario de un transformador, sabiendo que el número de espiras del primario es 400 y su tensión Vp = 220 V. Dato: Rt = 2.

SOLUCIÓN

Sabiendo que Ns = 800, se aplican las leyes de transformación, pudiendo hallar la tensión en el primario:

Se puede comprobar que de nuevo se cumplen las leyes de trasformación. Al ser el número de espiras del secundario el doble que las del primario, la tensión de este también lo será.

Aplicación práctica

Obtenga la relación de transformación de un transformador, sabiendo que la tensión en el secundario es de 6 V y que el número de espiras del primario es 4 y la tension Vp = 2.

SOLUCIÓN

Se conoce el número de espiras del primario, por lo tanto se debe saber el número de espiras del secundario para aplicar la relación de transformación:

Ya se conoce el número de espiras del secundario. Por tanto, a partir de la relación de transformación: