Laboratorio

Circuito con relevador automotriz: cómo un relevador enciende un motor

Objetivo
Descubrir cómo un relevador automotriz (relé) permite que un pequeño interruptor del tablero controle la gran corriente de un motor: medir al mismo tiempo la corriente de la bobina y la del motor, leer los números de las terminales en el diagrama de un relevador (30, 85, 86, 87 y 87a), calcular la potencia de la bobina y ver por qué cada circuito lleva su propio fusible, de acuerdo con la corriente que conduce.
Nivel
Preparatoria y primeros semestres de universidad
Tiempo
45 minutos
Temas
Relevadores 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 rotor bloqueado, selección 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 control: un fusible de 5 A a la salida de la batería y, después de él, el interruptor del tablero, abajo a la izquierda, alimentan la bobina del relevador, y un amperímetro (A) está en el cable de regreso de la bobina, justo a la izquierda del relevador. El circuito de potencia: el cable de abajo va de la batería a un fusible de 15 A y de ahí al contacto del relevador, que alimenta el motor DC de la derecha; el amperímetro del motor está en el cable de arriba, de regreso a la batería. El motor usa el modelo «Window lift» (elevador de ventanas) con «Load (%)» (carga) en 40, que hace las veces del vidrio de la ventana.
  2. Lee el relevador como en el diagrama de un relevador automotriz. Sus cinco pines, de izquierda a derecha: el primero es el 85 (regresa al negativo de la batería) y el segundo el 86 (viene del interruptor), los dos extremos de la bobina (esta bobina no tiene diodo, así que da igual cuál sea cuál); después el 87a (aquí libre), el 30 (desde el fusible de 15 A) y el 87 (hacia el motor). La terminal 30 es el contacto común: en reposo toca la 87a y, cuando la bobina recibe corriente, se pasa a la 87. Da clic en el relevador: «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 se necesita para que el contacto se cierre.
  3. Ejecuta el circuito en esta página; funciona sin iniciar sesión. Para trabajar en el laboratorio completo, da clic en «Abrir en el laboratorio» e inicia sesión. El interruptor está cerrado al cargar el circuito, así que el relevador está activado y el motor gira. Llena 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. Da clic en el interruptor para abrirlo: la corriente de la bobina baja a cero, el relevador se suelta y el motor se detiene. Vuelve a cerrarlo y el motor arranca otra vez. Después de un cambio así, el amperímetro del motor puede quedarse mostrando un valor promediado con la marca RMS, así que de aquí en adelante 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. Da clic en el relevador y pon «Coil resistance» en 30 Ω (el valor predeterminado del laboratorio). Anota la corriente de la bobina y calcula su potencia con P = V × I. Después prueba con 400 Ω y con 700 Ω: ¿se sigue activando el relevador? ¿gira el motor? Regresa «Coil resistance» a 80 Ω.
  6. Da clic en el motor, pon «Load (%)» en 0, anota la corriente y regrésala a 40. Después cambia «Preset» (modelo predefinido) a «Wiper» (limpiaparabrisas) y luego a «Blower» (soplador del aire acondicionado y la calefacción), y anota cada vez la velocidad y la corriente de la etiqueta del motor (la carga sigue en 40 %). Regresa «Preset» a «Window lift».
  7. Da clic en el relevador y pon «Tipo de Relé» en «Normalmente Cerrado». Abre y cierra el interruptor y anota cuándo gira el motor. Regresa «Tipo de Relé» a «Normalmente Abierto».
  8. Demostración del fusible, una sola vez y solo para observar: da clic en el motor y marca «Locked rotor» (rotor bloqueado), como cuando el vidrio llega al final de su recorrido. La etiqueta de arriba del motor muestra STALL (rotor frenado) y la corriente. Observa el fusible de 15 A y el amperímetro de la bobina: en pocos segundos (menos de 3 s en nuestras pruebas) el fusible se quema y el motor se detiene, pero el relevador sigue activado. Vuelve a cargar 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) ¿Relevador 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 tablero y su cable pueden ser pequeños y delgados, y por qué ese cable tiene su propio fusible de 5 A en lugar 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 relevador automotriz usa una bobina de unos 80 Ω y no de 30 Ω?
  3. ¿Se activó el relevador 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 rotor bloqueado). ¿Por qué se quemó el fusible y por qué el relevador 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 relevador automotriz parecía estar conectado el motor? Un elevador de ventanas real tiene que subir y bajar: ¿cómo pueden dos relevadores, cada uno con 30, 87 y 87a, invertir el motor?
Para maestros

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 rotor bloqueado 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 la 30 y la 87, hasta el motor. Así el cable que va detrás del tablero puede ser delgado, pierde poco voltaje 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 delgado: un fusible protege el cable que va después de él, así que debe quemarse antes de que ese cable se caliente. Por eso está justo donde el circuito de control 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 quema en uso normal, pero un corto a tierra en el cable delgado del interruptor lo quemaría. Un corto directo quemaría de inmediato incluso el fusible de 15 A; el de 5 A sirve para fallas menores, como un corto parcial o una pieza dañada que consuma entre 5 y 15 A, que el fusible de 15 A dejaría pasar mientras el cable delgado se calienta. El valor de un fusible depende del cable que protege. Los autos reales también protegen con fusible el lado del interruptor, con un fusible adecuado a 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 relevador, 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 relevadores automotrices 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 relevador 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 relevador se quedó en reposo (la 30 sobre la 87a) y el motor no giró aunque el interruptor estuviera cerrado. El relevador del laboratorio se activa cuando la corriente de la bobina llega más o menos a su «On current» (un poco menos de 25 mA en el modelo) y regresa al reposo por debajo de unos 19.5 mA; entre esos valores, el contacto se queda a medio camino y no toca ni la 87 ni la 87a. En un auto real, una batería débil o una mala tierra en la terminal 85 pueden bajar la corriente de la bobina de la misma forma, y el relevador no hace clic.
  4. Con el rotor 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 rotor bloqueado del modelo (calculado). El laboratorio midió 16.74 A y la etiqueta de arriba del motor mostró STALL 17 A. La lectura es un poco 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 relevador (0.03 Ω), suman 0.05 Ω, y 12 V ÷ 0.717 Ω = 16.7 A. Eso rebasa los 15 A del fusible, que se quemó en pocos segundos (menos de 3 s en nuestras pruebas: el simulador inicia una cuenta regresiva de 1 a 2 s al detectar la sobrecarga y puede reiniciarla mientras la corriente sigue cambiando) y detuvo el motor antes de que su embobinado (unos 187 W de calor, P = I² × R) se sobrecalentara. El amperímetro de la bobina bajó de 149 mA a 147.9 mA con el rotor bloqueado, porque el voltaje de la batería baja un poco con 16.7 A, y marcó 150 mA cuando el fusible ya se había quemado y no pasaba corriente por el motor. La bobina es otro circuito, así que el relevador sigue activado; solo que ya no tiene nada que conectar. El fusible del simulador es ideal y se quema a los pocos segundos de cualquier sobrecarga; un fusible real aguanta más tiempo una sobrecarga corta, por eso un elevador de ventanas que se frena un momento al final del recorrido no lo quema.
  5. Calculado: el embobinado del «Wiper» es R = 12 V ÷ 12 A = 1.0 Ω, así que con el rotor bloqueado consumiría unos 12 A, su corriente de rotor bloqueado del modelo; en este circuito un poco 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 quemaría y el embobinado 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 rotor bloqueado: 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 con el rotor bloqueado. 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 muchas veces traen además una protección térmica interna.
  6. En «Normalmente Cerrado» el motor giraba con el interruptor abierto y se detenía al cerrarlo, como si estuviera conectado a la 87a, que toca la 30 en reposo. Un elevador de ventanas real usa dos relevadores: cada extremo del motor va a la terminal 30 de su propio relevador, las dos 87a van a tierra y las dos 87 a la alimentación de 12 V con fusible. En reposo los dos extremos del motor están a tierra y no se mueve. Si se activa el relevador 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 relevador del laboratorio tiene 87a, así que puedes armarlo, pero duplica las piezas; para ver cómo se invierte un motor, prueba la práctica del motor de corriente continua.

Preguntas frecuentes

¿Mis alumnos necesitan cuenta?

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¿Se necesita un auto o piezas reales?

No. El relevador, los fusibles, el interruptor y el motor de 12 V están simulados con valores reales de auto, así que no hay que comprar nada y un fusible quemado 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 ahí hay un límite de tiempo.

¿Qué significan 30, 85, 86, 87 y 87a en el diagrama de un relevador automotriz?

Son los números de terminal estándar que traen impresos la mayoría de los relevadores automotrices. La 85 y la 86 son los dos extremos de la bobina: la 86 normalmente recibe los 12 V del interruptor y la 85 va a tierra. La 30 es el contacto común, normalmente la alimentación con fusible desde la batería. La 87 es el contacto normalmente abierto: se conecta a la 30 solo mientras la bobina recibe corriente. La 87a es el contacto normalmente cerrado: está conectada a la 30 en reposo. Un relevador de cuatro pines no tiene 87a. Si el relevador trae un diodo en paralelo con la bobina, la 86 tiene que ser la positiva. El relevador del laboratorio tiene los cinco pines, de izquierda a derecha: los dos de la bobina, el 87a, el 30 y el 87.

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