La anatomía de un cortocircuito

Ha sido una semana automotriz lenta en lo que respecta a BMW, ya que mi tiempo libre lo consumieron reemplazando las juntas con fugas debajo de las luces de posición en el techo de la camioneta y reemplazando una pinza atascada en el Corolla 2007 de mi hijo menor. Entonces, en lugar de trabajo automotriz real, esta semana les hablaré sobre cortocircuitos automotrices. Explicaré cómo son una función del tipo “bueno” de resistencia, pero en el peor lugar posible.

Primero, necesito ponerme el sombrero de profesor de Hack Mechanic y darte una clase corta sobre los conceptos básicos de cómo funciona la electricidad en un automóvil.

La electricidad se define como el flujo de carga. Puede quedar atrapado en el eje de lo que realmente significan "flujo" y "carga", pero por el bien de esta discusión, usaremos la convención de que la corriente eléctrica fluye desde el terminal positivo de la batería hasta el "dispositivo de carga" que realiza la operación. funciona (por ejemplo, la luz, el motor eléctrico) y completa el viaje de ida y vuelta regresando al terminal negativo de la batería. En un pequeño dispositivo portátil con baterías reemplazables, como una linterna, las conexiones se realizan directamente a los terminales positivo y negativo de la batería. Esto se muestra en la siguiente figura.

Un dispositivo de carga como una bombilla conectada directamente a una batería.

Si no ha trabajado en automóviles, asumiría que también están conectados de esta manera, pero al principio del desarrollo del automóvil, la utilidad de usar el chasis metálico del automóvil para una etapa del circuito se hizo evidente, ya que de esa manera, cada dispositivo (cada luz o motor) podría conectarse mediante un solo cable largo a la batería y un cable corto al chasis. Inicialmente, algunos fabricantes conectaron a tierra el terminal positivo y otros el negativo (y el terreno positivo no eran solo aquellos británicos chiflados; sorprendentemente, Ford se resistió al terreno positivo hasta mediados de los años 50), pero finalmente la industria se estandarizó en el terreno negativo. Así, la inmensa mayoría de los vehículos que circulan por la carretera tienen el cable negativo de la batería conectado a masa del chasis. Los cables individuales transportan electricidad desde el terminal "+" de la batería a cada dispositivo, pero casi todos los dispositivos comparten una ruta de retorno a tierra común a través del chasis. Esto se muestra para un circuito simple en la siguiente ilustración.

Un circuito simple con un dispositivo de carga y tierra del chasis utilizado como ruta de retorno.

Ahora, agreguemos dos cosas más al circuito: un fusible y un interruptor. De esta manera, la corriente no fluirá a través del circuito hasta que se active el interruptor, y si el circuito consume más corriente de la que debería, el fusible se fundirá, deteniendo todo el flujo de corriente. La mayoría (pero definitivamente no todos) los circuitos de un automóvil se parecen a esto.

Un circuito automotriz simple pero muy representativo con un interruptor y un fusible.

En un automóvil, cuando decimos que hay un "cortocircuito" (o, para ser más corto, un "cortocircuito"), lo que casi siempre queremos decir es que hay un cable positivo cuyo aislamiento se ha desgastado, causando que el cobre desnudo Los hilos en su interior tocan accidentalmente el suelo, lo que hace que el circuito pase por alto el dispositivo de carga al que está conectado el cable. (Existe algo llamado “cortocircuito a alimentación”, pero los cortocircuitos a tierra son mucho más comunes). En la siguiente figura se muestran dos de estos cortocircuitos a tierra.

Digamos que el cable ubicado entre el fusible y el dispositivo de carga ha rozado su aislamiento y toca la carrocería del automóvil. Este es el cortocircuito n.° 1 que se muestra en verde. En este caso, la corriente (MUCHA corriente) fluirá repentinamente desde el positivo de la batería, a través del fusible, a través del cable y directamente a tierra. Tenga en cuenta que esto sucederá incluso aunque el interruptor en el diagrama se muestre abierto; es decir, se llama "cortocircuito" precisamente porque crea una ruta de circuito que es más corta que la prevista. Debido a que la cantidad de corriente excede en gran medida la clasificación del fusible (créame, lo hace, y llegaremos a eso), el fusible se fundirá casi instantáneamente, deteniendo el flujo de corriente.

Cortocircuitos a tierra en dos posibles lugares.

Si, en cambio, el aislamiento desgastado está en la sección del cable antes del fusible, se producirá el cortocircuito n.° 2, el camino rojo. Al igual que con el corto número 1, de repente fluirá MUCHA corriente, pero en este camino no hay ningún fusible que se funda, por lo que no hay nada que detenga el flujo de corriente. Este es el escenario de pesadilla: un cortocircuito total de un circuito sin fusibles a tierra, lo que resulta en aislamiento derretido, un cable quemado y posiblemente un incendio eléctrico. Incluso si no hay una conflagración, si el cable quemado pasa a través de un arnés, es probable que el aislamiento de los cables adyacentes en el arnés también se derrita. Es un desastre.

Espera, ¿dijiste sin fusionar? ¿Cómo es posible que los circuitos no tengan fusibles? Es sorprendente y un poco chocante ver cuánto cableado, especialmente en un automóvil antiguo, no está protegido por fusibles. Es comprensible que el cableado de alto amperaje desde el positivo de la batería hasta el motor de arranque, el alternador y la propia caja de fusibles rara vez estén fusionados (dado que estos transportan mucha corriente, necesitarían un fusible realmente grande, y esto generalmente se hace en algunos ubicaciones en los automóviles modernos, pero generalmente no en los de 50 años), pero en un modelo 2002, el interruptor de encendido y la bocina tampoco están fusionados.

Dos veces arriba dije "fluirá MUCHA corriente". ¿De cuánto estamos hablando?

Para responder a esa pregunta, necesitamos hacer un poco de cálculo. Tengan paciencia conmigo. Es sólo una ecuación. Vale, dos. Bueno, dos versiones de la misma ecuación, y luego otra, algo así como tres. Pero eso es todo. Prometo. Puedes manejarlo. Sin duda, su propio BMW le ha causado más dolor que esto.

Primero, revisemos rápidamente algunos de los términos que ya hemos mencionado. Existe una analogía en cascada para el voltaje, la corriente y la resistencia eléctricos que muchas personas encuentran útil.

Voltaje es lo que suministra la bateria y el alternador. A menudo se dice que un automóvil tiene un sistema eléctrico de 12 voltios. Bien, el voltaje de la batería en reposo es en realidad de 12,6 voltios, y mientras el alternador está funcionando, en realidad produce de 13,5 a 14,2 voltios, pero llamémoslo simplemente 12 voltios. En la analogía de la cascada, el voltaje es la altura de la cascada.

Actual(medido en amperios o “amperios”) es la cantidad de agua que fluye sobre la cascada.

Resistencia(medido en ohmios) es el diámetro de la tubería por la que circula el agua.

Entonces, a las Cataratas del Niágara de 170 pies de altura fluye mucha más agua que a las Cataratas de Yosemite de una milla de altura, pero si intentas bombear cualquiera de su producción total a través de una manguera de jardín, tendrás un problema. O restringirá el flujo o la manguera explotará.

Si no quiere pensar en analogías con las cascadas, hay un gráfico no acreditado que se ha mostrado en el mundo eléctrico durante al menos 50 años. A menudo se lo conoce como "voltios empujan amperios a través de ohmios".

Pobre amiguista con la bota de Volt en el trasero.

El punto con ambas analogías es que para un voltaje constante, la resistencia (ohmios) determina la cantidad de corriente que fluye.

Personalmente, digo al diablo con las analogías. Las matemáticas lo dicen todo.Ley de Ohmda la siguiente relación entre voltaje (V), corriente (I) y resistencia (R):

V = I*R (el voltaje es igual a la corriente multiplicada por la resistencia)

Para un circuito simple, el voltaje y la resistencia son constantes, y lo que realmente te interesa es la corriente. Entonces resolviendo esto para la corriente:

I = V/R (la corriente es igual al voltaje dividido por la resistencia)

En un automóvil con un sistema eléctrico de 12 voltios, conoces el voltaje, por lo que si conoces la resistencia de un circuito, puedes calcular la corriente. De hecho, podemos hacer eso para un cortocircuito y explicar por qué hace que el cable se derrita.

Puede buscar la resistencia de diferentes calibres de cables en línea. Diez pies de cable de calibre 12 (aproximadamente lo que se usaría para conectar un faro o un ventilador eléctrico) tiene una resistencia de aproximadamente 0,016 ohmios. Conectando eso a la fórmula anterior:

I = (12 voltios) / (0,016 ohmios)

= 750 amperios

Esto dice que si le faltan 10 pies de cable de calibre 12, fluirán 750 amperios a través de él. Yo digo "¡Sí!" pero podrías preguntar “¿Es mucho?” Es posible que se sienta cómodo con las unidades de voltios porque un automóvil usa una batería de 12 voltios, pero la mayoría de las personas no tienen una buena sensibilidad para las unidades de amperios.

Así que hagámoslo en términos de potencia en vatios. La gente tiene una idea de los vatios, ya que es la unidad de potencia de las bombillas, los calentadores, los generadores y todo tipo de cosas.

Lo que nos lleva a la segunda ecuación con la que necesito torturarte...Ley de potencia de Watt:

P = I*V (la potencia en vatios es igual a la corriente multiplicada por el voltaje)

Entonces, para nuestro cortocircuito, la potencia en vatios se calcula mediante:

P = (750 amperios) * (12 voltios)

= 9.000 vatios

Nueve. Mil. Vatios. En nuestro pequeño cortocircuito de un trozo de cable. Eso es lo mismo que la potencia máxima de uno de estos:

Un generador de 9.000 vatios

Es como tratar de bombear las cataratas del Niágara a través de una manguera de jardín: simplemente no va a funcionar: un trozo de cable de calibre 12 puede transportar 750 amperios durante un corto periodo de tiempo, pero sin ningún tipo de dispositivo de carga (un dispositivo ligero). bombilla, un motor eléctrico) en el circuito, toda esa energía se convertirá en calor. Entonces el cable se pone al rojo vivo, el aislamiento se quema y luego el cable se funde.

En realidad, esperas que se derrita, porque si lo hace, se rompe el circuito siempre y cuando la pieza en el extremo positivo no se apoye inmediatamente sobre la carrocería del auto. Pero si no se derrite (si el cable expuesto sin aislamiento simplemente se apoya contra el chasis), seguirá pasando enormes cantidades de corriente generando enormes cantidades de calor. Otras cosas se incendiarán. Y antes de que te des cuenta, el coche arderá en llamas. Si alguna vez has visto que esto suceda, es sorprendentemente rápido, a menudo menos de 30 segundos desde el humo hasta la conflagración total del auto sin retorno.

Entonces, si el cable tiene baja resistencia, y si la baja resistencia hace que fluya MUCHA corriente, ¿por qué las rejillas descongeladoras de los parabrisas traseros no se derriten instantáneamente? Ese es un circuito hecho únicamente de alambre, ¿verdad? No existe ningún otro “dispositivo de carga”, ¿verdad? ¿Cuál es la diferencia entre eso y un cortocircuito muerto?

La misteriosa rejilla del descongelador.

En realidad, es una muy buena pregunta que me tomó un tiempo entender. La respuesta depende de dos cosas: la resistencia y la capacidad de disipar el calor.

Una rejilla desempañadora de ventana trasera tiene sustancialmente más resistencia que un cable de pieza estándar, probablemente en algún lugar en el rango de 1 a 5 ohmios, por lo que, según la ley de Ohm, debería consumir entre aproximadamente 2,4 y 12 amperios. El cable de la rejilla descongeladora está diseñado para tener esa resistencia y se utiliza para esta aplicación precisamente porque genera la cantidad necesaria de calor y tiene la capacidad de disipar ese calor sin derretirse.

Entonces, tomando estos dos ejemplos: el cable de baja resistencia que, cuando sufre un cortocircuito, quema tu auto hasta los cimientos, y el cable de alta resistencia que desempaña adecuadamente tu parabrisas trasero, ¿qué puedes concluir sobre la resistencia? ¿Es bueno o malo?

Depende de dónde esté la resistencia. Lo pienso de esta manera:

La alta resistencia involuntaria es mala, pero no peligrosa . Si los terminales de su batería están corroídos, esa resistencia adicional puede impedir que su automóvil arranque. Si hay óxido en el poste donde están conectados a tierra los limpiaparabrisas, esa resistencia adicional puede impedir que los limpiaparabrisas funcionen. Siempre que alguien dice "verifique sus conexiones a tierra", se refiere a esto: verificar si hay una alta resistencia no deseada que impida que un circuito funcione.

Pero en el otro extremo de la escala,La baja resistencia involuntaria es REALMENTE mala y REALMENTE peligrosa. Eso es lo que es un cortocircuito total a tierra: baja resistencia involuntaria. Cuando se crea un cortocircuito con un trozo de cable de baja resistencia en un circuito eléctrico sin fusibles que puede hacer que fluyan cientos de amperios pero no tiene forma de disipar el calor generado por él y no hay un fusible para quemarlo y detenerlo, puede incendiar el auto y quemarlo hasta los cimientos más rápido de lo que puedes decir: "Vaya, la ley de Ohm es mucho más interesante de lo que esperaba".

Espero que hayas disfrutado de esta pequeña lección del profesor Hack. Tu tarea para la próxima semana es comprobar si hay cables desgastados en tus coches antiguos.

—Rob Siegel

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