Laboratorio

Circuito con un relé de coche: cómo un relé automotriz conecta un motor

Objetivo
Descubrir cómo un relé de coche (relevador automotriz) permite que un pequeño interruptor del salpicadero controle la gran corriente de un motor: medir a la vez la corriente de la bobina y la del motor, leer los números de los terminales en el esquema de un relé (30, 85, 86, 87 y 87a), calcular la potencia de la bobina y ver por qué cada circuito lleva su propio fusible, a la medida de la corriente que transporta.
Nivel
Bachillerato y primeros cursos universitarios
Tiempo
45 minutos
Temas
Relés automotrices, terminales 30, 85, 86, 87 y 87a, contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, corriente de la bobina (I = V ÷ R), potencia (P = V × I), corriente de bloqueo, elección del fusible, circuitos automotrices
Vista previa de Car Relay Circuit: Switch, Coil and Window Motor
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Pasos

  1. Observa el circuito. Son dos circuitos que comparten una batería de 12 V (a la izquierda, con el + abajo). El circuito de mando: un fusible de 5 A a la salida de la batería y, después de él, el interruptor del salpicadero, abajo a la izquierda, alimentan la bobina del relé, y un amperímetro (A) está en el cable de retorno de la bobina, justo a la izquierda del relé. El circuito de potencia: el cable de abajo va de la batería a un fusible de 15 A y de ahí al contacto del relé, que alimenta el motor DC de la derecha; el amperímetro del motor está en el cable de arriba, de vuelta a la batería. El motor usa el modelo «Window lift» (elevalunas) con «Load (%)» (carga) en 40, que hace el papel del cristal de la ventanilla.
  2. Lee el relé como en el esquema de un relé de coche. Sus cinco patillas, de izquierda a derecha: la primera es la 85 (vuelve al negativo de la batería) y la segunda la 86 (viene del interruptor), los dos extremos de la bobina (esta bobina no tiene diodo, así que da igual cuál sea cuál); después la 87a (aquí libre), la 30 (desde el fusible de 15 A) y la 87 (hacia el motor). El terminal 30 es el contacto común: en reposo toca el 87a y, cuando la bobina recibe corriente, pasa al 87. Haz clic en el relé: «Tipo de Relé» está en «Normalmente Abierto», «Coil resistance» (resistencia de la bobina) en 80 Ω y «On current» (corriente de activación) en 25 mA, la corriente de bobina que hace falta para que el contacto se cierre.
  3. Ejecuta el circuito en esta página; funciona sin iniciar sesión. Para trabajar en el laboratorio completo, pulsa «Abrir en el laboratorio» e inicia sesión. El interruptor está cerrado al cargar el circuito, así que el relé está activado y el motor gira. Completa la primera fila de la tabla: el amperímetro de la bobina, el del motor (en la columna de la corriente del motor) y la velocidad en la etiqueta de arriba del motor. La corriente de la etiqueta de abajo debe coincidir con el amperímetro del motor: 7.7 A.
  4. Haz clic en el interruptor para abrirlo: la corriente de la bobina cae a cero, el relé se suelta y el motor se para. Vuelve a cerrarlo y el motor arranca de nuevo. Después de un cambio así, el amperímetro del motor puede quedarse mostrando un valor promediado con la marca RMS, así que a partir de aquí lee la corriente del motor en su etiqueta. El amperímetro de la bobina mantuvo el valor correcto en nuestras pruebas; si alguna vez muestra RMS, compruébalo con I = V ÷ R.
  5. Haz clic en el relé y pon «Coil resistance» en 30 Ω (el valor por defecto del laboratorio). Anota la corriente de la bobina y calcula su potencia con P = V × I. Prueba después con 400 Ω y con 700 Ω: ¿sigue activándose el relé? ¿gira el motor? Vuelve a poner «Coil resistance» en 80 Ω.
  6. Haz clic en el motor, pon «Load (%)» en 0, anota la corriente y vuelve a dejarla en 40. Después cambia «Preset» (modelo predefinido) a «Wiper» (limpiaparabrisas) y luego a «Blower» (ventilador de la calefacción), y anota cada vez la velocidad y la corriente de la etiqueta del motor (la carga sigue en 40 %). Vuelve a poner «Preset» en «Window lift».
  7. Haz clic en el relé y pon «Tipo de Relé» en «Normalmente Cerrado». Abre y cierra el interruptor y anota cuándo gira el motor. Vuelve a poner «Tipo de Relé» en «Normalmente Abierto».
  8. Demostración del fusible, una sola vez y solo para observar: haz clic en el motor y marca «Locked rotor» (rotor bloqueado), como cuando el cristal llega al final de su recorrido. La etiqueta de arriba del motor muestra STALL (bloqueado) y la corriente. Mira el fusible de 15 A y el amperímetro de la bobina: en pocos segundos (menos de 3 s en nuestras pruebas) el fusible se funde y el motor se para, pero el relé sigue activado. Recarga la página para recuperar el circuito original.

Tabla de datos

Ajuste (interruptor, Ω de la bobina, modelo, carga %, tipo de relé, bloqueado) Amperímetro de la bobina (mA) ¿Relé activado? (sí o no) Corriente del motor (A): el amperímetro del motor en la primera fila, después la etiqueta del motor Velocidad (rpm) Qué observaste
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           

Preguntas

  1. Compara la corriente de la bobina con la del motor. ¿Cuántas veces mayor es la del motor? ¿Por qué el interruptor del salpicadero y su cable pueden ser pequeños y finos, y por qué ese cable tiene su propio fusible de 5 A en vez de compartir el de 15 A?
  2. Calcula la corriente y la potencia de la bobina con I = V ÷ R y P = V × I para una bobina de 80 Ω y para una de 30 Ω, y compáralas con tus lecturas. ¿Por qué un relé de coche usa una bobina de unos 80 Ω y no de 30 Ω?
  3. ¿Se activó el relé con 400 Ω y con 700 Ω? Explícalo con la «On current» de 25 mA.
  4. Con el rotor bloqueado, ¿qué corriente leíste? Calcúlala con el modelo «Window lift» (12 V, 18 A de corriente de bloqueo). ¿Por qué se fundió el fusible y por qué el relé siguió activado?
  5. El modelo «Wiper» se bloquea con 12 A. Predice, sin probarlo, qué haría el fusible de 15 A si un motor «Wiper» se bloqueara en este circuito. ¿Qué fusible lo protegería?
  6. Con «Tipo de Relé» en «Normalmente Cerrado», ¿a qué terminal del relé de coche parecía estar conectado el motor? Un elevalunas de verdad tiene que subir y bajar: ¿cómo pueden dos relés, cada uno con 30, 87 y 87a, invertir el motor?
Para docentes

Clave de respuestas

  1. Medido: el amperímetro de la bobina marcó 149 mA y el del motor 7.71 A, así que la corriente del motor es unas 52 veces la de la bobina (7.71 A ÷ 0.149 A). Calculado con el modelo «Window lift»: el 5 % de los 18 A de bloqueo para mantenerlo girando (0.9 A) más el 40 % del resto, 0.9 A + 0.4 × 17.1 A = 7.74 A; con «Load (%)» en 0 la etiqueta del motor marcó 0.9 A. El interruptor y su cable solo llevan la corriente de la bobina, unos 0.15 A, mientras que los 7.7 A recorren el camino corto desde la alimentación con fusible, por el 30 y el 87, hasta el motor. Así el cable que va detrás del salpicadero puede ser fino, pierde poca tensión a lo largo de su recorrido y los contactos del interruptor no se queman con una corriente grande. El fusible de 5 A está para proteger el cable fino: un fusible protege el cable que va detrás de él, así que debe fundirse antes de que ese cable se caliente. Por eso está justo donde el circuito de mando sale de la alimentación de la batería, antes del interruptor. 5 A está muy por encima de los 0.15 A de la bobina, así que nunca se funde en uso normal, pero un cortocircuito a masa en el cable fino del interruptor lo fundiría. Un cortocircuito franco fundiría enseguida incluso el fusible de 15 A; el de 5 A sirve para fallos menores, como un cortocircuito parcial o una pieza averiada que consuma entre 5 y 15 A, que el fusible de 15 A dejaría pasar mientras el cable fino se calienta. El valor de un fusible depende del cable que protege. Los coches reales también protegen con fusible el lado del interruptor, con un fusible a la medida de su cableado.
  2. Calculado con 80 Ω: I = 12 V ÷ 80 Ω = 0.15 A (150 mA) y P = 12 V × 0.15 A = 1.8 W; medido, 149 mA. Con 30 Ω: I = 12 V ÷ 30 Ω = 0.4 A y P = 12 V × 0.4 A = 4.8 W; medido, 397 mA. Las dos bobinas activan el relé, pero la de 30 Ω convierte en calor más de dos veces y media esa potencia y hace pasar más corriente por el interruptor sin ninguna ventaja: 150 mA ya son seis veces los 25 mA de «On current». Por eso los relés de coche de 12 V usan bobinas de más o menos ese tamaño, de 1.5 a 2 W.
  3. Medido: con 400 Ω la corriente de la bobina fue de 29.8 mA (calculado 12 V ÷ 400 Ω = 30 mA), por encima de los 25 mA de «On current», así que el relé se activó y el motor giró. Con 700 Ω fue de 17.1 mA (calculado 12 V ÷ 700 Ω = 17.1 mA), muy por debajo, así que el relé se quedó en reposo (el 30 sobre el 87a) y el motor no giró aunque el interruptor estuviera cerrado. El relé del laboratorio se activa cuando la corriente de la bobina llega más o menos a su «On current» (algo menos de 25 mA en el modelo) y vuelve al reposo por debajo de unos 19.5 mA; entre esos valores, el contacto se queda a medio camino y no toca ni el 87 ni el 87a. En un coche real, una batería débil o una mala masa en el 85 pueden bajar la corriente de la bobina de la misma forma, y el relé no hace clic.
  4. Bloqueado, el motor no tiene fuerza contraelectromotriz, así que I = V ÷ R. Con los ajustes del motor: R = 12 V ÷ 18 A = 0.667 Ω, así que I = 12 V ÷ 0.667 Ω = 18 A, la corriente de bloqueo del modelo (calculado). El laboratorio midió 16.74 A y la etiqueta de arriba del motor mostró STALL 17 A. La lectura es algo menor porque el motor no está solo en el circuito: tres pequeñas resistencias que no se pueden leer en el laboratorio, la resistencia interna de la batería (0.01 Ω), la del fusible de 15 A (0.01 Ω) y la del contacto cerrado del relé (0.03 Ω), suman 0.05 Ω, y 12 V ÷ 0.717 Ω = 16.7 A. Eso supera los 15 A del fusible, que se fundió en pocos segundos (menos de 3 s en nuestras pruebas: el simulador inicia una cuenta atrás de 1 a 2 s al detectar la sobrecarga y puede reiniciarla mientras la corriente sigue cambiando) y paró el motor antes de que su bobinado (unos 187 W de calor, P = I² × R) se sobrecalentara. El amperímetro de la bobina bajó de 149 mA a 147.9 mA durante el bloqueo, porque la tensión de la batería cae un poco con 16.7 A, y marcó 150 mA cuando el fusible ya se había fundido y no pasaba corriente por el motor. La bobina es otro circuito, así que el relé sigue activado; solo que ya no tiene nada que conectar. El fusible del simulador es ideal y se funde a los pocos segundos de cualquier sobrecarga; un fusible real aguanta más tiempo una sobrecarga corta, por eso un elevalunas que se bloquea un momento al final del recorrido no lo funde.
  5. Calculado: el bobinado del «Wiper» es R = 12 V ÷ 12 A = 1.0 Ω, así que bloqueado consumiría unos 12 A, su corriente de bloqueo del modelo; en este circuito algo menos, unos 12 V ÷ 1.05 Ω = 11.4 A, por la misma razón que en la pregunta 4. Eso está por debajo de 15 A, así que el fusible no se fundiría y el bobinado se sobrecalentaría y podría quemarse. Un fusible solo protege si su valor está por encima de la corriente de funcionamiento y bastante por debajo de la de bloqueo: la etiqueta del «Wiper» marcó 5.2 A a 868 rpm con carga 40 %, así que un fusible de 7.5 A. Uno de 10 A dejaría muy poco margen por debajo de sus 12 A de bloqueo. El «Blower» se bloquea con 25 A (modelo; unos 12 V ÷ (0.48 + 0.05) Ω ≈ 22.6 A en este circuito), por encima de 15 A, así que el fusible de 15 A sí lo protege; lo que obliga a usar un fusible mayor es su corriente de funcionamiento, 10.7 A en su etiqueta a 1944 rpm. Los motores reales suelen llevar además una protección térmica interna.
  6. En «Normalmente Cerrado» el motor giraba con el interruptor abierto y se paraba al cerrarlo, como si estuviera conectado al 87a, que toca el 30 en reposo. Un elevalunas real usa dos relés: cada extremo del motor va al terminal 30 de su propio relé, los dos 87a van a masa y los dos 87 a la alimentación de 12 V con fusible. En reposo los dos extremos del motor están a masa y no se mueve. Si se activa el relé de subir, un extremo pasa a 12 V y el motor gira en un sentido; si se activa el de bajar, es el otro extremo el que pasa a 12 V y gira en sentido contrario. El relé del laboratorio tiene 87a, así que puedes montarlo, pero duplica las piezas; para ver cómo se invierte un motor, prueba la práctica del motor de corriente continua.

Preguntas frecuentes

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¿Hace falta un coche o piezas reales?

No. El relé, los fusibles, el interruptor y el motor de 12 V están simulados con valores reales de coche, así que no hay que comprar nada y un fusible fundido no cuesta nada. Es un simulador de electricidad automotriz que funciona en el navegador, así que tus alumnos también pueden hacer la práctica en casa. La copia de esta página funciona sin iniciar sesión; para trabajar en el laboratorio completo («Abrir en el laboratorio»), inician sesión, y con una cuenta gratuita allí hay un límite de tiempo.

¿Qué significan 30, 85, 86, 87 y 87a en el esquema de un relé de coche?

Son los números de terminal estándar que llevan impresos la mayoría de los relés de coche. El 85 y el 86 son los dos extremos de la bobina: el 86 suele recibir los 12 V del interruptor y el 85 va a masa. El 30 es el contacto común, normalmente la alimentación con fusible desde la batería. El 87 es el contacto normalmente abierto: se conecta al 30 solo mientras la bobina recibe corriente. El 87a es el contacto normalmente cerrado: está conectado al 30 en reposo. Un relé de cuatro patillas no tiene 87a. Si el relé lleva un diodo en paralelo con la bobina, el 86 tiene que ser el positivo. El relé del laboratorio tiene las cinco patillas, de izquierda a derecha: las dos de la bobina, la 87a, la 30 y la 87.

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