BOBINA - Definición - Significado

08/10/2010

La idea de Ruhmkorff • Evolución y funciones fundamentales • ¿En qué consiste? • Los 3 componentes básicos • Desarrollo de la alta tensión • ¿Qué es el rise-time? • Consecuencias del montaje erróneo

En 1864, Ruhmkorff había ideado un dispositivo mediante el cual se podían obtener fuertes descargas eléctricas utilizando una corriente continua débil; tal dispositivo era el precursor de la bobina de encendido utilizada en el campo automovilístico desde 1913, primero en EE.UU. y más tarde en todo el mundo. La bobina actual es todavía en líneas generales muy similar a la usada en las primeras aplicaciones; las mejoras aportadas están ligadas sobre todo al progreso tecnológico, al perfeccionamiento de los materiales y a la necesidad de adaptar la chispa a las crecientes exigencias de los motores de explosión.

Desde su inicio, la bobina de encendido se realizó en dos versiones distintas:

- con circuito magnético abierto, o sea con núcleo rectilíneo, como lo era, originariamente, el carrete de Ruhmkorff, y

- con circuito magnético cerrado con un núcleo de forma rectangular similar a los conocidos transformadores de potencia.

Ambas soluciones se usan en la actualidad, aunque preferentemente la primera en el campo automovilístico, dado que permite suministrar una buena chispa incluso a regímenes muy elevados. La segunda exige, por el contrario, un resistor externo en serie con el arrollamiento primario y se usa preferentemente en el campo motociclístico.

Las primeras bobinas de núcleo rectilíneo presentaban el circuito secundario arrollado sobre el primario, pero las dificultades de aislamiento y la deficiente refrigeración del circuito primario condujeron a la realización, válida todavía, del secundario arrollado directamente sobre el núcleo y del primario dispuesto en la parte exterior.

Misiones de la bobina

La misión principal de la bobina es la de producir un impulso de tensión lo suficientemente elevado para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujía; para alcanzar este fin, la bobina dispone de dos circuitos compuestos de muchas espiras de hilo aislado, arrollados directamente uno sobre otro alrededor de un núcleo de hierro. Los circuitos están caracterizados por su resistencia, su inductancia y su capacidad. Dado que el núcleo de las espiras

MONTAJE DE LA BOBINA

El contacto de alta tensión (AT) debe conectarse al distribuidor para dar impulso de corriente a las bujías. El contacto con la indicación " +" o con las siglas SW (switch) o B (batería) debe conectarse al interruptor de encendido y, por consiguiente, a la batería. El contacto con la indicación "-" o con las siglas CB (contact breaker) o D (distribuidor) debe conectarse al ruptor.

de los dos circuitos es diferente, cuando se produce una oscilación de la corriente en uno de ellos se obtendrá también en el segundo una perturbación, pero con distintos valores de intensidad y tensión.

En la práctica, la base del funcionamiento consiste en interrumpir la corriente en el circuito de pocas espiras (primario) y engendrar por unos instantes una tensión muy elevada en el circuito de muchas espiras (secundario). El conjunto puede ser comparado a un pistón que comprima lentamente el aire en un cilindro y a una válvula que abriéndose instantáneamente descargara de repente toda la presión.

Además de la función primordial de producir corriente de alta tensión, la bobina tiene estas otras misiones que cumplir:

— enviar la alta tensión sin retraso respecto al instante preestablecido por la apertura del ruptor;

— crear una chispa con energía suficiente para iniciar el encendido;

— funcionar de forma regular al variar la velocidad del motor, lo cual quiere decir que la energía de la chispa no debe ser baja durante el arranque ni debe disminuir cuando el motor gire velozmente, y

— poseer capacidad de resistir el corto circuito cuando, por olvido, se deja puesta la llave de contacto.

En la práctica, algunas de estas misiones se anulan entre sí. Por ejemplo, para obtener una chispa eficaz a elevadas revoluciones se reduce la resistencia del circuito primario y se corre el peligro de quemar la bobina cuando se deja puesta la llave de contacto, por la absorción excesiva de corriente. Del mismo modo, la duración del ruptor está en relación directa con la potencia de la bobina, que, por consiguiente, no puede ser aumentada a capricho. Finalmente, la alta tensión producida por la bobina no debe ser demasiado elevada, porque ello requeriría un aislamiento perfecto de los cables que conducen la corriente desde la bobina a las bujías, los cuales, como es sabido, están frecuentemente en contacto entre sí y sucios de aceite.

Para comprender bien estos problemas cabe detallar las varias fases de cada circuito.

Como ya se ha indicado, los componentes esenciales de la bobina son tres:

- el arrollamiento primario, generalmente compuesto de 200-300 espiras de hilo de cobre esmaltado de 0,4-0,8 mm de diámetro;

- el arrollamiento secundario, constituido por millares de espiras (normalmente 18.000-25.000) de hilo de cobre esmaltado muy delgado (0,06-0,08 mm de diámetro), y

-el circuito magnético, constituido por el núcleo y la armadura exterior

En general el núcleo está formado por muchas láminas de acero al silicio situadas en el centro del arrollamiento; la armadura exterior es una cinta de acero dulce almenado que recubre la superficie lateral del arrollamiento primario.

Los componentes antes citados, con las relativas e indispensables partes aislantes, están alojados en un recipiente metálico cerrado por una caja de resina termoendurecible. En esta caja se hallan las conexiones para los arrollamientos y los terminales para la conexión con el circuito exterior. El espacio libre entre los arrollamientos y el recipiente está lleno de aceite mineral u otro material aislante (alquitrán o resina epoxídica).

En algún caso, en serie con el arrollamiento primario se sitúa un resistor exterior a la bobina que contribuye a limitar la corriente primaria y a disipar parte de la potencia que frecuentemente disipa la bobina misma.

Cuando los contactos del ruptor mecánico, situado en el interior del distribuidor de encendido, se cierran, una corriente de 3-4 A fluye de la batería al primario pasando por el eventual resistor y los contactos del ruptor, y retornando a la batería a través de masa. Esta corriente que recorre el arrollamiento primario crea un campo magnético en el interior de la bobina: la mayor parte de las líneas de ñujo de este campo sigue el camino de menor reactancia desde el núcleo a la armadura exterior y luego al núcleo otra vez, concentrándose, de ese modo, el campo magnético en el hierro.

En el momento en que los contactos del ruptor se cierran, la corriente en el circuito primario no pasa instantáneamente al valor máximo dado por la tensión de la batería, sino que emplea un cierto tiempo, pequeño pero considerable en relación con la velocidad de rotación del motor.

Si el motor está parado, la corriente cumple la ley I=V/R, en que V es la tensión (12 V) y R la resistencia del circuito primario. Dicho valor representa la intensidad máxima; cuando el motor está en marcha se alcanza, en efecto, un valor inferior, dado que la interrupción provocada por el ruptor no permite a la bobina cargarse completamente.

La disminución de tensión depende de la inductancia del circuito primario (en el sentido que cuanto mayor es la inductancia tanto más grande es la disminución de corriente) y es inversamente proporcional a la resistencia y al tiempo que tarda en cerrar el ruptor. Cuando el motor gira a pocas revoluciones, el tiempo durante el cual el ruptor cierra tiene un valor elevado, por lo que la disminución de corriente es despreciable y alcanza su valor máximo V/R; a muchas revoluciones el tiempo de cierre del ruptor se reduce y la corriente disminuye notablemente hasta un valor que podría no ser ya suficiente. El tiempo de cierre del ruptor no puede aumentarse, dado que si el motor es de 4 cilindros de 4 tiempos, será necesario disponer de dos chispas por cada revolución y, por tanto, el ruptor deberá cerrarse y abrirse dos veces por cada revolución del motor. Si el motor tiene más de 4 cilindros, las cosas se complican, ya que el ruptor deberá cerrarse y abrirse más veces siempre en el mismo tiempo. Es preciso entonces aumentar la resistencia del circuito primario sin mermar la intensidad de corriente, o bien hay que proceder a reducir la inductancia.

El primer objetivo se puede alcanzar aumentando la tensión de la batería: en esto se encuentra uno de los motivos por los que se prodigan tanto las baterías de 12 V en lugar de las de 6 V, tan generalizadas después de la primera guerra mundial.

Por lo que concierne a la inductancia, es posible una reducción, pero, como se verá más adelante, conduce directamente a una reducción de la energía almacenada a pocas revoluciones.

Si se proyecta la bobina teniendo en cuenta lo que precede, se obtendrá un consumo de corriente bastante constante durante todo el régimen de utilización; conviene decir todavía que la bobina debe proyectarse de forma que no se recaliente cuando el motor está parado y por su interior circula toda la intensidad de corriente I=V/R. No obstante, es interesante observar que en cuanto la bobina se calienta, la elevación de temperatura hace aumentar la resistencia interna R, con lo que la corriente que circula por el interior queda automáticamente reducida, lo cual conduce a una especie de autonivelación.

Formación de la alta tensión

La energía almacenada por la bobina depende exclusivamente del cuadrado de la intensidad de la corriente que circula por el primario y de la inductancia de éste. Por ello, mientras que es conveniente aumentar la intensidad de corriente hasta el límite soportable por los platinos (contactos del ruptor) y por el recalentamiento de la bobina, la inductancia no puede aumentarse, ya que influiría directamente sobre la reducción de corriente a elevado régimen de re voluciones.

Cuando los contactos del ruptor, en serie con el circuito primario, se separan, la intensidad de corriente, que aumentaba gradualmente, se anula de repente. La interrupción ha tenido lugar muy rápidamente gracias al condensador intercalado en paralelo con los contactos; en la práctica, la interrupción no es nata, sino muy parecida a una oscilación amortiguada. Gracias a esta propiedad del condensador es posible evitar o reducir la chispa entre los platinos.

A continuación se examinará lo que ocurre en el circuito secundario formado por un gran número de espiras. Este circuito acusaba ya precedentemente el flujo magnético creado por el primario, ya que, junto a él, está arrollado sobre el mismo núcleo; no obstante, mientras el circuito magnético no sufra grandes alteraciones, sobre el secundario no se aprecian variaciones de tensión. Pero cuando los platinos se separan, el flujo magnético que recorre el circuito secundario varía violentamente por efecto de la oscilación inducida por el condensador sobre el primario. La tensión se eleva entonces velozmente hasta el valor necesario para perforar el aire que separa los electrodos de las bujías y hacer saltar la chispa; la energía eléctrica que circulaba por el primario se transfiere de ese modo al secundario dando lugar a la chispa, cuyas características son: la tensión y el tiempo de duración.

La tensión que puede alcanzar la bobina es más elevada que la que necesita la bujía; aquélla es tanto mayor cuanto más grande sea el número de espiras del secundario. No obstante, es conveniente que la chispa salte antes de que la tensión alcance valores muy elevados, para evitar tener que construir aisladores especiales para los cables y para la caja del distribuidor. A dicho fin es necesario que el electrodo central de la bujía posea una polaridad negativa.

Conviene recordar al respecto que normalmente la masa del automóvil, y por tanto también el electrodo 'de masa de la bujía, está conectada al polo negativo de la batería. No obstante, en este caso se habla de tensiones negativas del orden de 20.000 V, aplicadas al electrodo central; por tanto, el hecho de que el electrodo de masa esté a una tensión negativa de 12 V es completamente despreciable. La ventaja de disponer de una chispa con polaridad negativa sobre el electrodo central reside en que, siendo éste un electrodo que se halla normalmente a elevada temperatura, está rodeado de un flujo de electrones que ionizan el ambiente y favorecen el inicio de la chispa a una tensión inferior. Dicho fenómeno es obviamente más importante con motor caliente y a elevado régimen de revoluciones, cuando precisamente la tensión proporcionada por la bobina se reduce.

La bobina suministra una tensión muy superior (incluso 10.000 V) a la efectivamente necesaria para hacer saltar la chispa en la bujía. De todas maneras, por ejemplo en caso de muchas revoluciones, la tensión suministrable por la bobina se reduce, mientras que en fase de aceleración aumenta la tensión solicitada por la bujia: en estos casos la chispa podría faltar. Esto sucede, por ejemplo, cuando la distancia entre los electrodos es demasiado elevada.

Para realizar la conexión de la bobina es necesario respetar los signos colocados en los terminales:

- el terminal con el signo « + », o bien con las siglas B (batería) o SW (switch), debe conectarse con el interruptor de encendido;

- el otro, con el signo «-», o bien con las siglas D (distribuidor) o CB (contact breaker), debe conectarse con los platinos.

Ya se ha dicho que las cualidades de una bobina residen en la tensión máxima disponible y en la duración de la chispa o, lo que es igual, en la energía transmitida al secundario.

Como ya se ha visto, la tensión no debe superar los 30.000 V a fin de no descargar a masa a través de la caja, la pipeta o de los cables de alta tensión.

La duración de la chispa no debe ser inferior a 15 u.s y es conveniente que alcance los 250ºC para garantizar que, en presencia de mezclas magras, sea posible el choque de las moléculas de oxígeno y de gasolina.

La energía no debe superar los 20 mJ, para no desgastar excesivamente los electrodos de la bujía y la pipeta. Existe también otra característica muy importante: el tiempo que tarda la tensión, en el secundario, en alcanzar los 20.000 V.

Este tiempo, denominado risetime, o tiempo de propagación, se define como el necesario para pasar del 10 al 90 % del valor máximo. Dicho tiempo debe ser muy pequeño e inferior a 5 u.s., pues en caso contrario se tendría una dispersión eléctrica debida a las partículas conductoras existentes sobre el aislante de la bujía. Para reducir su duración y evitar, asi, la dispersión de energía, los sistemas más eficaces son acudir al encendido electrónico con descarga capacitiva o a los sistemas breakerless (*bujía, *distribuidor, *encendido).

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