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  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    Sistemas de cargay arranqueEsteban Jos Domnguez

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    6 Unidad 4

    Conceptos y leyesde la electricidad1

    y al finalizar esta unidad...

    Conocers los principios bsicosde la electricidad.

    Podrs identificar los distintos tiposde corriente, alterna y continua.

    Conocers los tres parmetros msimportantes de un circuito elctrico.

    Podrs realizar clculos aplicando la leyde Ohm.

    Podrs calcular la intensidad que circula porun circuito conociendo la potencia instalada.

    vamos a conocer...1. La materia, el electrn y la electricidad

    2. Principios bsicos de la electricidad

    3. Electricidad dinmica

    4. Corriente elctrica

    5. Ecuaciones fundamentales de la electricidad

    PRCTICA PROFESIONALRealizacin de medidas de tensin,intensidad y resistencia

    MUNDO TCNICO

    El primer coche elctrico comercializado enEspaa: el REVA

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    situacin de partida

    Emilio tiene un ordenador porttil que conecta a la red elctricade su casa para poder trabajar con l; en muchas ocasiones tra-baja con el ordenador en su coche y, cuando se descarga la bate-ra, tiene que dejar de trabajar. Ha intentado cargarla en el coche,pero el adaptador que tiene su cargador no puede conectarse alencendedor para poder realizar la carga.

    La duda que se le plantea es si es posible cargar la batera de suordenador en la red elctrica de su coche.

    Cada da estamos ms acostumbrados a convivir con la electrici-dad y sus circuitos elctricos. La electricidad se emplea para al i-mentar los circuitos elctricos y electrnicos de la televisin, el fri-gorfico, la lavadora, el ordenador, la cmara de fotos, etc. Losautomviles, los trenes y los aviones tambin disponen de sofisti-cados circuitos elctricos y electrnicos.

    Segn las necesidades industriales del equipo o mquina que setrate, la electricidad se puede presentar de dos formas distintas:

    Como corriente alterna.

    Como corriente continua.

    La corriente alterna se puede transportar a grandes distanciasdesde las plantas generadoras hasta las ciudades, empleando lasredes de alta tensin y los centros de transformacin, es peligrosasu manipulacin sin conocimientos, no se puede almacenar enbateras y para que funcione un equipo o mquina es necesariomantenerlo conectado a la red elctrica. La energa se genera enel instante que se consume.

    Lacorriente continua, en cambio, se puede almacenar en bateras,permitiendo que los equipos funcionen sin conexin directa a la red.

    Los automviles, las cmaras de fotos, los ordenadores porttiles,los telfonos mviles, etc. funcionan con corriente continua y noes nada peligrosa su manipulacin.

    Es posible rectificar la corriente alterna y transformarla en corrien-te continua y viceversa. Por ejemplo, las placas solares generanelectricidad en corriente continua que se rectifica y transforma enalterna para poder ser transportada a travs de la red elctrica ypoder ser consumida en las viviendas.

    Para que Emilio pueda cargar la batera del ordenador porttil su casa, tiene que conectar un transformador rectificador de 240en alterna a corriente continua de 19 V, que es la tensin de tbajo de la batera de su ordenador.

    En su coche necesita un transformador de 12 V a 19 V, no neceta rectificador de alterna a continua, ya que la corriente de su coces continua. La conexin del transformador debe ser tipo encededor.

    El tcnico en electromecnica, para poder trabajar y reparar los ccuitos elctricos de los vehculos, necesita conocer los fundametos de la electricidad, las magnitudes elctricas de la corriente cotinua, la tensin, la intensidad y la resistencia, y tambin deconocer y poder aplicar las leyes que las relacionan entre s (ley Ohm, principalmente) as como el manejo de los equipos de meda: voltmetro-ampermetro, polmetro y osciloscopio.

    estudio del caso

    Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, trata de contestar las siguientes preguntas. Despus, analiza cada punto d

    tema, con el objetivo de contestar a todas las preguntas de este caso prctico.

    1. Qu tipo de corriente se emplea en los vehculos?

    2. Qu tipo de corriente se emplea en las viviendas y talleres?

    3. Un equipo elctrico se puede conectar a cualquier redelctrica?

    4. Crees que un vehculo puede funcionar con cualquiertipo de corriente? Razona la respuesta.

    5. La corriente continua se puede rectificar y transformaen alterna?

    6. Qu ley relaciona las magnitudes elctricas?

    7. Qu tiles elctricos de medida se emplean en las repraciones de electromecnica?

    CASO PRCTICO INICIAL

    a Transformador de 12 V a 19 V en continua.

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    8 Unidad 1

    1. La materia, el electrny la electricidad

    1.1. Estructura de la materia

    Si dividimos la materia en partes lo ms pequeas posibles, manteniendo para cadauna de ellas su naturaleza original, obtenemos pequeas partculas denominadas mo-lculas. A su vez, las molculas estn divididas en tomos (del griego sin divisin).

    Si la molcula est formada por tomos iguales, la combinacin es un elemento;mientras que si son tomos desiguales los que la forma, la combinacin es un com-puesto. Los tomos que conforman un elemento qumico son todos iguales, perodiferentes de los tomos de los dems elementos qumicos.

    a Figura 1.1. Estructura de la materia.

    1.2. El tomoDesde el punto de vista elctrico, todos los tomos estn constituidos por un n-cleo central que est rodeado de una nube de partculas minsculas denominadaselectrones que giran en diferentes rbitas casi elpticas alrededor del ncleo, auna velocidad aproximada de 2.000 km/s.

    El ncleo a su vez est constituido por dos tipos de partculas, los protones y losneutrones, que esencialmente constituyen la masa del tomo.

    Esta concepcin planetaria del tomo fue enunciada por Bohr. La figura 1.2 re-presenta el modelo atmico planetario.

    a Figura 1.2. Modelo atmico de Bohr.

    II Ncleo

    1 rbita

    ltima rbita

    I

    H2O

    Materia(agua)

    Molculade agua

    tomode oxgeno

    O

    HH

    HH

    tomos dehidrgeno

    vocabularioMateriaToda sustancia que tiene masa yocupa un espacio.

    Niels BohrNiels Bohr naci en Copenhague el7 de octubre de 1885, y muri enla misma ciudad, el 18 de noviem-bre de 1962.

    En 1911 escribi su doctoradosobre la teora de los electrones delos metales.

    En 1913 desarroll su modelo at-mico en analoga a nuestro sistemaplanetario. Segn su modelo, todoslos electrones se mueven en rbi-tas circulares alrededor del ncleoatmico.

    saber ms

    Masa del protn=

    Masa del neutrn

    =

    Masa de 1.837 electrones

    saber ms

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    1.3. Carga elctrica

    Tanto los electrones como los protones poseen una propiedad denominada cargaelctrica. La carga elctrica de los protones se considera positiva y la de los elec-trones negativa; los neutrones no tienen carga elctrica. Dado que el tomo tie-ne igual nmero de protones con carga positiva que de electrones con carga ne-gativa, es elctricamente neutro.

    1.4. Electrones de valencia

    Los electrones se mantienen en sus rbitas debido a la fuerza de atraccin que ejer-ce el ncleo sobre ellos, siendo la fuerza de atraccin dbil para los electrones quese encuentran en la rbita ms alejada del ncleo, llamada orbital de valencia.

    Los tomos tienden a completar su ltima rbita y mantenerse estables. Por ejem-plo el cobre tiene 29 electrones repartidos del siguiente modo: en la primera rbitados, en la segunda ocho, en la tercera 18 y en la ltima 1 electrn, el cobre, al te-ner un electrn libre en su ltima rbita, lo pierde con facilidad, el electrn libre,pasa con facilidad de un tomo a otro siendo el cobre un material que conduce laelectricidad con facilidad.

    Materiales conductores, aislantes y semiconductores

    Los materiales conductores conducen la electricidad. Los metales son buenosconductores de la corriente elctrica ya que poseen pocos electrones en sus lti-mas rbitas y, por lo tanto, tienden a perderlos con facilidad. De esta forma, cuan-do varios tomos de un metal se acercan, los electrones de su ltima rbita se pue-den desprender y circulan entre ellos. La plata, el cobre y el aluminio son buenosconductores elctricos.

    Los materiales aislantes estn formados por tomos con muchos electrones en sultima rbita (de cinco a ocho). La rbita se encuentra casi completa, por lo queno tienen tendencia a perderlos con facilidad y a no establecer una corriente de

    electrones. De ah su alta resistencia elctrica. El vidrio, los plsticos, el cauchoson buenos aislantes elctricos.

    Los materiales semiconductores tienen como caracterstica principal la de con-ducir la corriente elctrica en determinadas circunstancias, y evitar el paso de lacorriente en otras (conduce y no conduce).

    La estructura atmica de dichos materiales presenta una caracterstica comn:est formada por tomos con cuatro electrones en su ltima rbita, por lo que leses fcil ganar cuatro electrones o perder otros cuatro para completar la rbita. Elsilicio y el germanio son los semiconductores ms empleados.

    1.5. Electricidad

    La electricidad se clasifica en: electricidad esttica y dinmica. A su vez la elec-tricidad dinmica se divide en corriente continua o directa (CD), corriente con-tina pulsada y corriente alterna (CA).

    a Figura 1.3. Modelo estratiformdel tomo.

    K L M NN

    Todos los circuitos elctricos no trbajan con el mismo tipo de corriete, unos circuitos son de corrienalterna y otros de corriente connua.

    caso prctico inicia

    ELECTRICIDAD

    Esttica

    Corriente alterna (CA)

    Corriente continua directa

    Corriente continua pulsanteDinmica

    El nmero de electrones que el tmo tiene en la ltima rbita, lmados electrones de valenciaelectrones libres, definen su comportamiento elctrico.

    saber ms

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    10 Unidad 1

    2. Principios bsicos de la electricidad

    2.1. Electricidad esttica

    Se denomina electricidad esttica a aquella que no se mueve respecto a la sus-tancia determinada. La electricidad esttica se produce cuando ciertos materiales

    se frotan uno contra el otro, como lana contra plstico o las suelas de zapatos con-tra la alfombra, el proceso de frotamiento provoca que se retiren los electrones dela superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material queofrece niveles energticos ms favorables.

    La electricidad esttica es un fenmeno que se debe a una acumulacin de cargaselctricas en un objeto. Esta acumulacin puede dar lugar a una descarga elctri-ca cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

    Los componentes de los circuitos elctricos y electrnicos pueden daarse con laelectricidad esttica.

    La electricidad esttica que podemos llevar en las prendas de vestir, se descarga amasa al tocar la parte metlica del vehculo. En la descarga se genera una co-rriente de baja intensidad y alta tensin. Antes de realizar verificaciones en lascentralitas o sus conectores es conveniente tocar un punto de masa para descar-gar la electricidad esttica que nuestra ropa pueda almacenar y evitar la descargasobre los componentes de la centralita.

    Si se necesita trabajar en cisternas que almacenan lquidos inflamables se de-ben extremar al mximo las medidas de seguridad para evitar descargas e in-cendios.

    Un ejemplo de electricidad esttica lo encontramos en la figura 1.4. frotando unavarilla de vidrio (material no conductor) con un pao de seda, tanto el pao comola varilla quedan cargados elctricamente (el pao con carga negativa y la varilla

    con carga positiva). La electricidad acumulada en ambos materiales permanece-r sin moverse a menos que los pongamos en contacto, o se conecten por mediode un conductor.

    La electricidad esttica se refiere al estado en el que los electrones libres estn se-parados de sus tomos y no se mueven en la superficie de los materiales.

    A la cantidad de electricidad con que se carga una sustancia se le llama cargaelctrica y se mide en culombios (C) que es la unidad de medida del sistema in-ternacional (S.I.).

    1 culombio = 6,25 1018 electrones libres

    a Figura 1.4. Electricidad esttica.

    -

    -

    -

    -

    -

    + + + + +

    Varilla de vidrio

    Pao de seda

    saber ms

    En el ao 1832 Michael Faradaypublic los resultados de sus expe-rimentos sobre la identidad de laelectricidad, los fsicos pensabanque la electricidad esttica eraalgo diferente de las otras cargaselctricas. Michael Faraday demos-tr que la electricidad inducida des-de un imn, la electricidad produ-cida por una batera, y la electrici-dad esttica son todas iguales.

    La electricidad esttica es muy peli-grosa en los trabajos de carga y

    descarga de camiones cisternasque transportan hidrocarburos.

    seguridad

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    12 Unidad 1

    2.3. Ley de Coulomb

    Como consecuencia del experimento anterior, Coulomb estableci la siguienteley: la fuerza de atraccin o repulsin sobre dos cargas puntuales (Q

    1, Q

    2) es di-

    rectamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcionalal cuadrado de la distancia entre ambas.

    F = K

    siendo:

    Q1, Q

    2= las cargas puntuales

    d = distancia entre cargas

    K = constante que depende del medio

    F = fuerza de atraccin o repulsin

    El valor de Ken el sistema Internacional (siempre que el medio sea aire) es:

    K= 9 109

    El culombio o coulomb (C), es la unidad derivada del SI para la medicin de lacantidad de electricidad (carga elctrica) y se define como la cantidad de cargatransportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de co-rriente elctrica.

    1 C = 1 A s

    2.4. Campo elctrico

    Si colocamos un conductor con carga positiva (A) y otro con carga negativa (B)

    relativamente cerca el uno del otro, el espacio que rodea a ambos conductores seencuentra sometido a su influencia, quedando alteradas sus propiedades iniciales.A dicho espacio se le denomina campo elctrico.

    2.5. Lneas de fuerza

    Al colocar una carga elctrica (q), positiva y libre, en un punto (P) cerca del con-ductor A, la carga recorrer una trayectoria similar a la del dibujo de la figura 1.9.y con el sentido indicado por la flecha. A estas trayectorias se las define como l-neas de fuerza (en el caso que la carga fuese negativa el recorrido sera en sentidocontrario).

    2.6. Intensidad de campo elctrico

    En el apartado anterior hemos visto que una carga (q), situada en el seno de uncampo electrosttico, describe una trayectoria; esto es debido a la accin de unafuerza F tangente a la trayectoria que desplaza esta carga. Se define como inten-sidad de campo en un punto, E, a la fuerza que el campo ejerce sobre la unidad decarga colocada en dicho punto.

    E = $ %Fqnewton

    culombio

    newton metros2

    culombios2

    Q1 Q2d2

    a Figura 1.8. Campo elctrico.

    A B

    +

    a Figura 1.9. Lneas de fuerza.

    A B

    +

    P(+q)

    a Figura 1.10. Intensidad de cam-po elctrico.

    F

    A B

    +

    +q

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    2.7. Potencial elctrico en un punto

    Si queremos trasladar una carga (+q, positiva) desde un punto de referencia fue-ra del campo P

    oa un punto P dentro del campo, tendremos que realizar un traba-

    jo para vencer las fuerzas de repulsin, quedando este trabajo almacenado comouna energa potencial en dicho punto P. Se define potencial en un punto P al tra-bajo necesario por carga elctrica para trasladar la carga +q desde un punto de re-

    ferencia Po al punto P.

    Up

    =

    2.8. Diferencia de potencial (U)

    Si consideramos dos puntos diferentes en el seno del campo elctrico Pa

    y Pb

    y elmismo punto de referencia para ambos P, llamamos tensin o diferencia de po-tencial U a la diferencia de trabajo para trasladar una carga elctrica desde el pun-to de referencia a cada uno de los puntos P

    ay P

    bfigura 1.12.

    U = Ub

    Ua

    =

    U = = Voltio (V)Julio

    Culombio

    (Tb Ta)q

    T

    q

    Conceptos y leyes de la electricidad

    a Figura 1.11. Potencial elctrien un punto.

    P

    P0+q

    +

    a Figura 1.12. Diferencia de ptencial (U).

    q

    Pa

    P

    Pb

    +

    El voltio es una unidadde medida del SIEl voltio es la diferencia de potencque hay entre dos puntos de ucampo cuando para trasladar la caga de un culombio desde el punde menos potencial al de mpotencial hay que realizar el trabjo de un julio.

    saber ms

    Analoga hidrulica

    Para la comprensin de los epgrafes anteriores se suele utilizar una analogaentre el agua y la electricidad.

    Supongamos un depsito a una altura (h), si lo llenamos trasladando el aguadesde el suelo, habremos realizado un trabajo, que quedar almacenado en for-ma de energa potencial en el depsito. Este trabajo ser mayor, y por tanto laenerga potencial almacenada, cuanto ms alto est el depsito (este sera el po-tencial) en un punto (P

    b), a una altura (h

    b). Si colocamos otro depsito a una al-

    tura (ha), menor que el anterior, tendramos una energa potencial almacenada

    tambin menor, luego un potencial (Pa) menor, la diferencia de energa poten-

    cial (U) estar en funcin de la diferencia de alturas, es decir, U = Pb

    Pa.

    a Figura 1.13. Analoga hidrulica.

    hb

    ha

    Pb

    Pa

    EJEMPLO

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    14 Unidad 1

    3. Electricidad dinmicaLa electricidad dinmica es la corriente elctrica que nos encontramos en la vidacotidiana, en las viviendas, talleres, automviles, camiones, trenes, etc.

    La corriente elctrica que se emplea en un taller no es igual que la que disponeun automvil, la electricidad dinmica se puede presentar del siguiente modo:

    Corriente continua directa.

    Corriente alterna.

    Corriente continua pulsada o discontina.

    3.1. La corriente continua

    La corriente continua se genera a partir de un flujo continuo de electrones (car-gas negativas) siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo al polo posi-tivo. Se caracteriza por su tensin, ya que, al tener un flujo de electrones prefija-do pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de esta (de signo

    continuo), y en la grfica U-t (tensin tiempo) se representa como una lnea rec-ta de valor V, (figura 1.14).

    Un electrn al avanzar por el conductor, normalmente cobre, va dejando un es-pacio (hueco) positivo que a su vez es ocupado por otro electrn que deja otro es-pacio (hueco) y as sucesivamente, generando una serie de huecos que viajan ensentido opuesto al viaje de los electrones y que se puede entender como el senti-do de la corriente positiva que se conoce.

    Una gran ventaja de la corriente continua es que se puede almacenar en baterasy pilas. Esto permite que los vehculos dispongan de una determinada autonomapara el arranque y el consumo de los distintos elementos elctricos y no necesi-ten tener una conexin elctrica permanente con la red.

    La corriente continua se emplea en todos los componentes electrnicos y en loscircuitos elctricos de los vehculos, automviles, motocicletas, camiones, tracto-res, autobuses etc. Estos disponen de un circuito elctrico de corriente continua (fi-gura 1.15) que les permite ser autosuficientes elctricamente. El circuito disponede un circuito de carga (alternador-regulador) y una batera que acumula la elec-tricidad. Con el motor parado la batera alimenta todos los circuitos elctricos delvehculo, desde el arranque hasta el alumbrado. Con el motor en marcha el alter-nador alimenta los circuitos y la electricidad sobrante se acumula en la batera.

    a Figura 1.15. Circuito de carga.

    MasaMasaAlternador

    y regulador

    D+

    Motor dearranque

    M.A.

    Batera12 V

    +

    +

    Testigo de carga(lmpara de 3 o 5 W)

    Llave decontacto

    En el coche de Emilio el circuitoelctrico es de corriente continua a12 V.

    caso prctico inicial

    a Figura 1.14. Grfica de corrientecontinua de 1 V.

    2

    1.5

    1

    0.5

    0.5

    U(V)

    t(s)1 1.5

    Transformacinde la corriente alternaen continuaLa corriente que genera el alternadores corriente alterna. El puente recti-ficador de diodos, se encarga de rec-tificarla a corriente continua para quese pueda almacenar en la batera.

    saber ms

    Las tensiones empleadas en corrien-te continua son muy bajas, 6 voltios,12 voltios y 24 voltios.

    En la mayora de automviles la redelctrica es de 12 voltios mientrasque en camiones y autobuses seemplean 24 V.

    saber ms

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    3.2. Corriente alterna

    En la corriente alterna (CA o AC), no se puede almacenar en bateras o en pilas. Loselectrones, a partir de su posicin fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otrode su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada(nmero de oscilaciones por segundo).

    Por tanto, la corriente as generada no es un flujo en un sentido constante, comola corriente continua, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo con-tinuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilacin de los electrones.

    En la grfica de la figura 1.16 (U-t) la corriente alterna se representa como unacurva u onda, que puede ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, triangu-lar) pero siempre caracterizada por su amplitud (tensin de cresta positiva acresta negativa de onda), frecuencia (nmero de oscilaciones de la onda en un se-gundo) y perodo (tiempo que tarda en dar una oscilacin).

    a Figura 1.16. Grfica de la corriente alterna. Corriente de 2 V pp (pico a pico) de amplitud y unperiodo de 2 ms.

    La unidad de frecuencia es el hertzio (Hz). Un hertzio (Hz) equivale a un cicloen un segundo (1c/s). Hay una relacin entre el periodo y la frecuencia, ya que lafrecuencia (f) es inversa al tiempo que tarda un ciclo, es decir el periodo.

    La corriente alterna que se dispone en las viviendas y talleres la suministran lascompaas elctricas. La tensin de las viviendas es de 220-240V monofsicacon dos cables, fase y el neutro. En los talleres la tensin ms empleada es la de380-400V trifsica en tres cables y fases. Tambin se emplea la monofsica de220-240V. En los vehculos tambin se dispone de algunos generadores y recep-tores de corriente alterna.

    Los componentes que generan corriente alterna son:

    Los captadores inductivos de nmero de revoluciones del motor, del cambio au-tomtico (figura 1.17) de revoluciones de las ruedas en el ABS y la corrientedel alternador antes de ser rectificada por el puente de diodos.

    Los receptores que funcionan con alterna son:

    Faros de Xenn. La luz se genera por medio de un arco voltaico de hasta30.000 voltios, entre dos electrodos de tungsteno situados en una cmara de vi-drio, cargada con gas xenn y sales de metales halogenizados. El arco es gene-rado por una reactancia que produce una corriente alterna de 400 Hz.

    U(v)

    t(ms)

    1

    0.5

    1 2 3 4

    0.5

    1

    Cresta positiva

    Ampl.

    Periodo

    Cresta negativa

    Conceptos y leyes de la electricidad

    La corriente de la casa de Emilio corriente alterna de 220-240V.

    caso prctico inicia

    a Figura 1.17. Seal de un captdor de rpm de un cambio autom

    tico.

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    16 Unidad 1

    Motores elctricos de los vehculos hbridos, por ejemplo en el LexusRX440h, sus dos motores trabajan a 650 V. La unidad electrnica que contro-la el sistema que consta de un amplificador de tensin, un reductor de tensiny un rectificador de corriente. La tensin de las bateras (288 V continua) estransformada y rectificada hasta 650 V para alimentar a los motores elctricosque trabajan en alterna.

    Tambin se reduce la tensin de 288 V de las bateras de nquel e hidruro me-tlico (NiMH) a 12 V para alimentar la batera normal de 12 V, a la que vanconectados el resto de dispositivos elctricos del coche, que funcionan en con-tinua a 12 V (figura 1.18).

    a Figura 1.18. Esquema de la unidad de control de potencia del Lexus.

    3.3. Corriente continua pulsada y ondas complejas

    La corriente continua pulsada no se mantiene constante en el tiempo sino quetoma valores de tensin fijos altos y valores de tensin bajos. La seal puede man-tener en valores fijos de tensin pero variables en el tiempo siendo la seal resul-tante una seal cuadrada (figura 1.19) En esta seal se denominan dos valores ca-ractersticos o niveles:

    Nivel alto: es el valor de tensin ms alto de la seal por ejemplo 12 V. Nivel bajo: es el valor de tensin ms bajo de la seal por ejemplo 0 V.

    La seal cuadrada es utilizada por los mdulos electrnicos para comandar actuado-res que necesitan un tiempo exacto de apertura, electrovlvulas del turbo, EGR, etc.

    Las comunicaciones entre mdulos a travs de la red Can Bus de datos empleanseales de onda cuadrada (figura 1.19).

    Las tensiones elctricas complejas las encontramos en la alimentacin de los in-yectores, en el primario y secundario del encendido (figura 1.21). Estas seales sedeben a impulsos de corriente instantneos con altos picos de tensin y con ca-das instantneas.

    Conversor CC/CC Batera auxiliar

    288 V CC 650 V CC

    12 V CC

    CA

    Reactor

    El conversorde aumento

    convierte

    288 V CC 650 V CCMotor elctricofrontal

    CA Motor elctricofrontal

    CAGenerador

    Inversor MG2

    MGR

    MG1

    El transformador que necesita Emi-lio para poder cargar el ordenadordesde su coche es similar al que seemplea en el Lexus para reducir latensin de 288V a 12V pero al con-trario, aumentan los 12V a 19V

    siempre en continua.

    caso prctico inicial

    a Figura 1.19. Seales de ondacuadrada de la red Can Bus.

    a Figura 1.20. Seal cuadrada.

    12 V

    0 V

    2 V/d 2 ms/d

    a Figura 1.21. Seal elctrica compleja de ali-mentacin de un inyector.

    80 V

    0 V

    2 V/d 1 ms/d

    Los captadores de Hall de los moto-res generan una seal pulsatoria cua-drada.

    saber ms

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    13/25

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    18 Unidad 1

    ResistividadLa resistencia depende del mate-rial, la longitud y la seccin delconductor.

    saber ms

    4.3. Resistencia elctrica

    Los materiales, atendiendo a su conductividad los podemos clasificar en:

    Aislantes, materiales que no dejan pasar la corriente o la dejan pasar muy di-fcilmente, ejemplo porcelana, madera, etc.

    Conductores, materiales por los que puede circular la corriente elctrica con

    facilidad, como el cobre, el oro, la plata, el aluminio etc. Semiconductores, que ocupan una posicin especial entre los dos anteriores,

    tales como el silicio y el germanio.

    Dependiendo del tipo de material, los electrones de la corriente elctrica no pue-den avanzar con fluidez, al chocar con los tomos de los que est compuesto el ma-terial. Al grado de dificultad con que se mueven los electrones en un material de-terminado, se le denomina resistencia (R) y se mide en ohmios ().

    Un ohmio () es la resistencia que deja pasar un amperio cuando se aplica unadiferencia de potencial de un voltio.

    La resistencia es directamente proporcional a un coeficiente () denominado re-

    sistividad, que depende del tipo de material y a la longitud del tramo de materialentre los que midamos e inversamente proporcional a la seccin del material.

    R =

    = resistividad o resistencia especfica

    l = longitud del conductor (metros)

    s = seccin transversal del conductor (milmetros2)

    ohmios milmetros2

    metro

    l

    s

    a Figura 1.24. Resistencia elctrica.

    -- --

    --

    --

    -- --

    --

    Voltaje

    Volviendo a la analoga hidrulica

    Podemos entender mejor la resistencia elctrica si la comparamos con los fe-nmenos que ocurren en el interior de una caera que es atravesada por unfluido. El fluido pasar con ms facilidad cuanto menos rugoso sea el interiorde la caera () y mayor sea la seccin interior (s); y al contrario, le costarms atravesar la caera cuanto mayor sea su longitud ( l).

    a Figura 1.25. Analoga hidrulica.

    EJEMPLO

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    5. Ecuaciones fundamentalesde la electricidad

    5.1. Ley de Ohm

    La ley de Ohm demuestra los fenmenos elctricos encontrados en los vehculos.Conociendo las principales magnitudes elctricas se pueden analizar las relacio-nes existentes entre tres fenmenos caractersticos:

    Aumentando la resistencia de un circuito se reduce la corriente.

    Aumentando la tensin de un circuito aumenta la corriente que circula.

    Aumentando la corriente que circula en un equipo aumenta la cada de tensin.

    En los circuitos elctricos intervienen principalmente tres magnitudes:

    Voltaje o diferencia de potencial.

    Corriente o intensidad.

    Resistencia.

    Existe una relacin entre estas tres unidades elctricas (voltio, amperio y ohmio)de tal modo que puede definirse cada una de ellas con la combinacin de las otrasdos, as por ejemplo puede decirse que:

    Un amperio es la corriente que circula por un conductor de un ohmio de re-sistencia cuando se aplica un voltio de tensin.

    Y esta definicin expresada matemticamente es:

    Intensidad = Tensin / Resistencia; Amperios = Voltios / Ohmios

    La intensidad que circula por un circuito es igual a la tensin aplicada partido porla resistencia. Despejando de la ecuacin principal se puede calcular cualquiermagnitud siempre que conozcamos dos trminos de la ecuacin.

    Tensin = Intensidad Resistencia; Voltios = Amperios Ohmios

    Resistencia = Tensin / Intensidad; Ohmios = Voltios / Amperios

    a Figura 1.26. Tringulo de la ley de Ohm.

    Para conocer cualquiera de las incgnitas se puede emplear el tringulo de la leyde Ohm (figura 1.26), tapando la incgnita que queremos conocer aparece el re-sultado de la ecuacin figura 1.27.

    a Figura 1.27. Forma grfica de conocer la U la R y la intensidad.

    U

    R I

    U= R I

    U

    R I

    U

    R I

    R= UI

    U

    R I

    R= UI

    Conceptos y leyes de la electricidad

    Ley de OhmEl fsico alemn Georg Simon Ohdescubri en el ao 1822 la depedencia fsica entre la corriente, tensin y la resistencia.

    saber ms

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    20 Unidad 1

    Aplicando la ley de Ohm un circuito bsico como el de la figura. 1.28 obser-vamos que la intensidad que por l circula (I) es directamente proporcional ala tensin aplicada (U), e inversamente proporcional a la resistencia del cir-cuito (R).

    a Figura 1.28. Circuito elctrico de 3V y 6V.

    En el caso a) el ampermetro marca 1,5 A. Deducimos que:

    I = U/R; 3V/2 = 1,5 A

    En el caso b) el ampermetro marca 3 A. Deducimos que:

    I = U/R; 6V/2 = 3 A

    5.2. Energa y potencia elctrica

    La potencia se define como la energa o trabajo desarrollado en la unidad detiempo.

    La potencia elctrica de un circuito es el resultado de multiplicar la tensin del

    circuito por la intensidad que circula por l.En los circuitos elctricos la unidad de potencia es el vatio (W) y su definicinest relacionada con la tensin aplicada y la intensidad

    Un vatio es la potencia que desarrolla un aparato elctrico al transformar la ener-ga de un julio en cada segundo.

    Puede expresarse con una frmula:

    Potencia = Tensin Intensidad; W = Voltios Amperios

    Para realizar los clculos y despejar las unidades se emplea el triangulo de la po-tencia, figura 1.29.

    a Figura 1.29. Tringulo de la potencia.

    P

    U I

    I I

    A A

    VV

    U= 6 V

    R= 2 R= 2

    U= 3 V

    (a) (b)

    Despejando la ley de OhmDespejando de la frmula de la leyde Ohm se obtienen los siguientesresultados:

    U= R I

    R = U/I

    saber ms

    Mltiplos del vatioComo mltiplo del vatio se emplea

    el kilovatio (kW), que equivale a1.000 vatios, y el caballo vapor(CV), que es igual a 736 vatios.

    saber ms

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    Para calcular cualquier incgnita del tringulo es necesario taparla y tener encuenta las dos restantes, figura 1.30.

    a Figura 1.30. Aplicacin del tringulo de la potencia.

    Sabiendo la tensin de batera y conociendo la potencia de las lmparas o moto-res conectados en un circuito elctrico, se puede calcular la intensidad que cir-cular por ste.

    Y aplicando la ley de Ohm encontramos las siguientes expresiones de la potencia:

    P = R I2 ; P =

    El trabajo generado por la electricidad viene determinado por:

    T = U I t

    P= U I

    P

    U I

    P

    U I

    U= PI

    P

    U I

    I= PU

    U2

    R

    Conceptos y leyes de la electricidad

    Calcular la intensidad que circula en un circuito en serie que tiene doslmparas 55 W cada una, conocemos que el circuito est alimentado conuna batera de 12 V.

    Solucin:

    Potencia (W) = Intensidad (A) Tensin (V)

    Intensidad (A) = Potencia (W) / Tensin (V)

    a Figura 1.31. Medicin de la intensidad en un circuito serie.

    I = 110 W/12 V = 9,1 A

    Calcular la intensidad que circula en un circuito en serie que tiene doslmparas 55 W cada una, conocemos que el circuito est alimentado conuna batera de 24V.

    Solucin:

    Potencia (W) = Intensidad (A) Tensin (V)

    Intensidad (A) = Potencia (W) / Tensin (V)

    I = 110 W/24 V = 4,58 A

    EJEMPLOS

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    22 Unidad 1

    5.3. Generacin de calor por la accin de la corrienteelctrica

    La corriente elctrica al circular por una resistencia (puede ser un cable elctri-co) genera una energa calorfica, que es de la misma magnitud que el trabajoaportado por la corriente elctrica pero medida en unidades de calor (caloras);por tanto, tendremos:

    1 julio = 0,24 caloras

    1.000 caloras = 1 kilocalora

    Q = 0,24 T = 0,24 R I2 t (en caloras)

    Esta expresin matemtica es conocida con el nombre de ley de Joule, que nosdice: la cantidad de calor que desprende un conductor es directamente propor-cional a su resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente que lo atraviesay el tiempo.

    Para aplicar correctamente esta frmula, la resistencia debe estar en ohmios; la in-tensidad, en amperios; y el tiempo, en segundos.

    a Tabla 1.1. Cuadro de magnitudes y unidades en el sistema internacional.

    CUADRO DE MAGNITUDES Y UNIDADES EN EL SISTEMA INTERNACIONAL

    Magnitud Smbolo Frmula Unidades Smbolo

    Cantidadde electricidad

    Q6,25 1018

    electronesCulombio C

    Fuerza de atraccinentre cargas

    F F = KQ1 Q2

    d2Newton N

    Potencial elctrico U U = Tq VoltiosV

    Intensidadde campo elctrico

    E E =F

    q

    Newton/Culombio

    N/C

    Intensidadde corriente

    I I =Q

    tAmperio A

    Resistenciaelctrica

    R R = pl

    sOhmio

    Energaelctrica

    T T = U I t Julio J

    Potencia elctrica P P = U I Vatio W

    Generacinde calor

    Q Q = 0,24 R I2 t Calora cal

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    Determina la intensidad de lacorriente en el esquema de la fi-gura.

    Nota: la resistencia interna delcable y batera se considera des-

    preciable.

    Solucin:

    Aplicando la ley de Ohm:

    I = = = 2 A

    En la actividad anterior, determina la potencia y caloras desprendidaspor la resistencia en un cuarto de hora.

    Solucin:

    La potencia vendra determinada por:

    P= U I = 12 2 = 24 W o P= R I2 = 6 22 = 24 W

    y las caloras:

    Q = 0,24 R I2 t= 0,24 6 22 900 = 5.184 caloras = 5,184 kcal

    Un automvil utiliza una batera de 12 V (resistencia interna desprecia-ble), que alimenta una luneta trmica de 144 W. Siendo la longitud del ca-ble de 2,5 m:

    a) Dibuja el esquema del montaje.

    b) Cul es la intensidad que circula por el cable?

    c) Cul es la seccin del conductor, si es de cobre ( = 0,018 ) parauna cada de tensin en el cable de 0,24 V como mximo?

    Solucin:

    a) Figura 1.33.

    b) Dado que la potencia es P = U I, tenemos: I = = = 12 A

    c) La cada de tensin en el cable es:

    UAB

    = 0,24 V = I Rcable

    con lo que: Rcable

    = = = 0,02 y como:

    R = , despejando: S= = 0,018 = 2,25 mm2 mm2

    m

    2,5 m

    0,02

    l

    R

    l

    S

    0,24 V

    12 A

    UAB

    I

    144 W

    12 V

    P

    U

    mm2

    m

    12 V6

    U

    R

    EJEMPLOS

    a Figura 1.32.

    6U= 12 V12

    VA

    R

    a Figura 1.33.

    Batera

    Chasis

    Luneta

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    24 Unidad 1

    ACTIVIDADES FINALES

    1. Por qu el tomo es un cuerpo elctricamente neutro?

    2. Qu son los electrones de valencia?

    3. Realiza un esquema con los tipos de electricidad que conozcas y dibuja sus grficas.

    4. Enuncia la ley de Ohm.

    5. Alimentamos una resistencia de 8 ohmios, con una batera de 24 V, a travs de un conductor (resistenciadespreciable).

    a) Qu intensidad circula por el circuito?

    b) Si circula una intensidad de 6 amperios, qu tensin tiene la batera?

    c) Dibuja el esquema del circuito, indicando el sentido tcnico y real de la corriente.

    6. Enuncia la ley de Coulomb.

    7. Representa el modelo atmico de Bohr, correspondiente a diferentes tomos de elementos conductores.

    8. Realiza en el laboratorio los ensayos indicados en el apartado de la electricidad esttica, figura 1.4. y el in-dicado en la figura 1.7.

    9. Realiza en el laboratorio el circuito de la figura 1.28, intercalando un voltmetro y un ampermetro. Com-prueba los resultados.

    10. Realiza en el laboratorio el montaje de la figura,siendo:

    A: Batera de 12 V o fuente de alimentacin 12V/DC.

    B1: Cable negro flexible, S= 1,5 mm2.

    B2: Cable rojo flexible, S= 1,5 mm2.

    C: Portafusible con fusible 2 A / 4 A.D: Portalmparas con dos lmparas, a y b, de di-

    ferentes watios, tipo automvil o similar.

    E: Interruptor.

    Una vez realizado el conexionado, copia el cuadro en tucuaderno y procede a rellenar el cuadro adjunto. Calcu-lando la potencia en cada caso, usando la medida delos siguientes datos:

    Tensin, medida entre los bornes del portalmpa-ras.

    Intensidad, intercalando un ampermetro en el cir-

    cuito entre la lmpara y el portafusibles.

    11. Partiendo de la actividad anterior, mide la resistencia in-terior de cada una de las bombillas utilizadas y deter-mina en cada caso las caloras desprendidas en uncuarto de hora por estas.

    12. Explica la analoga hidrulica del circuito de la figura1.35. con un circuito elctrico de corriente continua.

    a Figura 1.34.

    a Figura 1.35.

    Caudal

    Corriente o intensidad(Amperios)

    Diferencia de tensin

    Diferencia de potencial

    Fuente

    Generadorde tensinBatera

    (voltios)

    Resistencia (ohmios)Potencia (Vatios)

    Bombilla U I W

    a

    b

    12 V

    a2-4 A

    b+

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    EVALA TUS CONOCIMIENTOS

    1. Cul es la ley fundamental de la electricidad

    esttica?a) Ley de Ohm.

    b) Ley de Coulomb.

    c) Efecto Joule.

    d) No hay ninguna ley para la electricidad esttica.

    2. Cul es la ley fundamental de la electricidaddinmica?

    a) Ley de Ohm.

    b) Ley de Coulomb.

    c) Efecto Joule.

    d) No hay ninguna ley para la electricidad dinmica.

    3. El julio es la unidad de

    a) Resistencia elctrica.

    b) Potencia elctrica.

    c) Intensidad de corriente.

    d) Energa elctrica.

    4. Cul es la unidad de fuerza?

    a) Newton.

    b) Amperio.

    c) Vatio.d) Culombio.

    5. En qu unidades se mide la resistividad de unmaterial?

    a) Ohmios.

    b) Ohmios x m/mm2

    c) Ohmios x mm2/m.

    d) Ohmios x mm2

    6. Si aumentamos la longitud de un cable, la resis-tencia

    a) Disminuye.

    b) Aumenta.

    c) No se modifica.

    d) Disminuye o aumenta segn de qu material setrate.

    7. Atendiendo a su conductibilidad, el silicio lo

    podemos clasificar como un materiala) Aislante.

    b) Semiconductor.

    c) Conductor.

    d) Ninguno de los tres anteriores.

    8. Se denomina fuerza electrosttica

    a) Al trabajo que hay que realizar para desplazar unacarga elctrica.

    b) A la fuerza que acta sobre los electrones para

    mantenerlos en sus rbitas.c) A la trayectoria que siguen las lneas de fuer-

    za.

    d) A la fuerza que acta entre cargas elctricas.

    9. Qu nos dice el efecto Joule?

    a) Que la resistencia de un conductor es directa-mente proporcional a la resistividad y a su longi-tud e inversamente proporcional a la seccin.

    b) Que la cantidad de calor que desprende un con-ductor es directamente proporcional a su resis-tencia e inversamente proporcional al cuadradode la intensidad.

    c) Que la cantidad de calor que desprende un con-ductor es inversamente proporcional a su resis-tencia y directamente proporcional al cuadradode la corriente que lo atraviesa y al tiempo.

    d) Que la cantidad de calor que desprende un con-ductor es directamente proporcional a su resis-tencia, al cuadrado de la intensidad de la corrien-te que lo atraviesa y al tiempo.

    10. Cul es la unidad de intensidad de corrien-

    te?a) Voltio.

    b) Amperio.

    c) Julio.

    d) Ohmio.

    Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    26 Unidad 1

    PRCTICA PROFESIONALHERRAMIENTAS

    Voltmetro, ampermetro y polmetro

    digital

    MATERIAL

    Vehculo o maqueta con batera

    Realizacin de medidas de

    tensin, intensidad y resistenciaOBJETIVOS Aprender a manejar los tiles de medida.

    Aprender a realizar medidas de tensin, intensidad y resistencia.

    PRECAUCIONES Y MEDIDAS DE SEGURIDAD Colocar el voltmetro y ampermetro en las escalas adecuadas.

    No golpear los equipos de medida.

    DESARROLLO

    1. El til de medida ms empleado para realizar medidas en los circuitos elctricos de vehculos es el polmetro digital(figura 1.36).

    El polmetro dispone, en un solo aparato, de voltmetro para medir la tensin en voltios, ampermetro para pe-queas intensidades (mx. 10 A) y tambin dispone de medidor de resistencias, hmetro.

    El voltmetro-ampermetro analgico (figura 1.37) se emplea para medir la tensin en distintas escalas y para gran-des consumos de intensidad que el polmetro digital no lo permite.

    a Figura 1.36. Polmetro digital. a Figura 1.37. Voltmetro-ampermetro analgico.

    2. Para medir la diferencia de potencial (tensin) de una batera es necesario conectar en paralelo el voltmetro. La es-cala de medidas del voltmetro se selecciona en una escala superior y en corriente continua (figura 1.38). La cone-xin en paralelo se realiza conectando la pinza roja del voltmetro con el borne positivo y la pinza negra con el bor-ne negativo (figura 1.39), no es necesario desconectar la batera.

    a Figura 1.38. Polmetro en la escala adecuada. a Figura 1.39. Medida de la tensin.

    Rango o escala Paro de imagen

    Seleccin

    TensinResistencia

    Porcentaje Dwell

    Conexin sensorde temperatura

    Medida de revoluciones

    Intensidad

    FrecuenciaTemperatura

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    La tensin de la batera aparece en los dgitos de del polmetro, ejemplo 12.24V (figura 1.39). Si se conectan mal loscables negativo del polmetro al borne positivo y positivo del polmetro al borne negativo la tensin aparece indicadacon un menos delante de los dgitos -12,24 V.

    3. Para medir la intensidad de todos los circuitos del vehculo, es necesario desconectar el borne negativo de la bate-ra (figura 1.40) y conectar en serie el ampermetro.

    Medir la intensidad que circula con el ampermetro, conexionndolo en serie con el circuito (figura 1.41).

    a Figura 1.40. Desconectando el borne. a Figura 1.41. Conexionado del ampermetro.

    La intensidad en amperios de todos los circuitos del vehculo circula por el ampermetro. Si todos los circuitos seencuentran apagados, el ampermetro marcar cero amperios. Al conectar un circuito, por ejemplo las luces deposicin, de carretera o luna trmica trasera, el ampermetro marcar la intensidad en amperios que circulan por elcircuito (figura 1.41).

    Si el motor est arrancado el ampermetro indicar la intensidad que circula en sentido contrario, es decir, desdeel alternador a la batera y la aguja del ampermetro se inclinar en sentido contrario al de la descarga (figura 1.41).

    4. La medida de resistencia en de un componente elctrico se mide colocando el polmetro en la escala de ohmios

    (figura 1.42) y seleccionando la escala superior al valor que medimos.La resistencia del componente se mide desconectando el componente de la conexin que disponga y midiendocon los dos cables (figura 1.43).

    a Figura 1.42. Polmetro en escala de ohmios. a Figura 1.43. Medida de la resistencia de un inyector HDI.

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    28 Unidad 1

    MUNDO TCNICO

    Dada la concienciacin medioambiental sobre la con-taminacin que causan los automviles, acaba de lan-zarse el primer coche elctrico de la historia de Es-paa.

    Si bien ya han existido iniciativas en este sentido enotros pases europeos, como Francia, con los cocheselctricos de Peugeot en el proyecto de La Rochelle, yel resto del mundo por ejemplo, en Japn con el Nis-san Hypermini, esta es la primera vez que se apuestapor la electricidad en un coche para el mercado espa-ol.

    El modelo, llamado REVA, no genera emisiones deCO

    2, al no disponer de motor de combustin y se

    mueve con bateras recargables que se pueden conec-tar a cualquier enchufe de la red elctrica.

    El nuevo vehculo est catalogado como cuadriciclopesado, ya que su velocidad mxima supera los 45km/h (velocidad mxima permitida para los cuadrici-clos ligeros), siendo inferior a 75 km/h; cuenta con 4plazas, con una potencia de 20 CV, y no excede los400 kg, segn indica la Ley sobre Trfico, Circulacin

    de Vehculos a Motor y Seguridad Vial, requiriendopara su conduccin el permiso A1 o B. Cuenta con unpequeo habitculo para acoger con comodidad a dosadultos y a dos nios en sus escasos 2,62 metros delongitud y 1,5 metros de altura.

    A diferencia de otros que circulan por el mercado,REVA ofrece, de modo opcional, airbags, ABS, aireacondicionado, asientos climatizados, radioCD, cierrecentralizado y asientos de piel.

    Este vehculo cuenta con un motor elctrico de 15 kW(unos 20,4 CV), que le permiten alcanzar una veloci-

    dad mxima de 70 km/h y su tiempo de aceleracin de0 a 40 km/h es de siete segundos. Su uso y manteni-

    miento es muy sencillo y el coste por kilmetro, nfi-mo, cargar la batera al 100% cubre los desplaza-mientos de un da por tan solo 1 euro de electricidad.

    Opcionalmente, tambin dispone de bateras Li-Ionpara mejorar el rendimiento del vehculo, ya que sepueden recargar sin estar completamente descargadala batera, con menor tiempo de carga y sin sufrir ape-nas problemas en su vida til.

    Uno de los factores principales que se han tenido en

    cuenta en el diseo del REVA es que absorba muchade la energa producida en caso de impacto frontal, sintrasmitirlo a los ocupantes del vehculo. Los absorbe-dores de impacto que incorpora pueden aguantar ungolpe a 10 km/h sin apenas deformarse.

    REVA utiliza materiales plsticos ABS para su carroceraexterior, que aguantan perfectamente pequeos im-pactos sin sufrir deformaciones ni grietas.

    Monografas Cesvimap

    El primer coche elctrico comercializado

    en Espaa: el REVA

  • 8/10/2019 Sistemas de Carga y Arran_UD01

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    Conceptos y leyes de la electricidad

    EN RESUMEN

    Dinmica

    Esttica

    Corriente alterna

    Pulsante

    Directa

    Genera calor

    CONCEPTOS Y LEYES FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

    entra en internet1. Investiga en Internet modelos fsicos que se comporten de manera similar a la electricidad.

    Corriente continua

    Protones

    Neutrones

    Ley de Ohm

    Ley de Coulomb

    Electricidad

    Electrones

    Electrodinmica

    Electroesttica

    tomos

    Materia