De relés e interruptores

La realidad es como una cebolla, se compone de capas. Normalmente nos movemos en las capas exteriores pero si nos acercamos lo suficiente y comenzamos a quitar capas vemos que hay mucho trasfondo del que no éramos conscientes. Cuando nos sentamos en el avión y accionamos la llave de arranque simplemente esperamos que el motor se ponga en marcha y somos ajenos a lo que sucede en las capas interiores. Electrones en movimiento, campos magnéticos, combustible vaporizado, arcos eléctricos de alto voltaje, explosiones sincronizadas… Si nos paramos a pensar es algo fantástico que sucede con un simple giro de la llave.

Hoy me gustaría raspar un poco la superficie y poner la lupa en un par de componentes básicos del sistema de arranque de nuestros motores: el relé de arranque y el interruptor de arranque y, sobre todo, en la interacción entre ellos. Son sencillos e indispensables para arrancar el motor.

Como su propio nombre indica, el interruptor de arranque no es más que eso, un interruptor que abre o cierra un circuito eléctrico, como los interruptores para encender o apagar la luz en casa aunque físicamente sean muy diferentes. Básicamente pueden ser de dos tipos, los que se accionan con una llave que se gira y los que se accionan pulsando un botón. En posición de reposo el circuito está abierto. Al girar la llave (normalmente en sentido horario) o pulsar el botón se cierra el circuito. Al girar la llave en sentido contrario o soltar el botón se abre el circuito. Son interruptores de acción momentánea, si soltamos la llave o el botón en posición de arranque, un muelle los lleva automáticamente  a su posición inicial. Algunos interruptores de arranque de llave además controlan también el sistema de encendido. La llave tiene 5 posiciones, en sentido horario son:

Off: Los dos sistemas de encendido están apagados.

L: Uno de los dos sistemas de encendido está conectado y al girar el motor una bujía en cada cilindro tendrá chispa.

R: El otro sistema de encendido (el que permaneció desconectado con la llave en posición L) está conectado.

BOTH: Ambos sistemas de encendido están conectados.

START: Se acciona el relé para arrancar el motor. Esta posición es momentánea. Si soltamos la llave en esta posición un muelle la lleva automáticamente a la posición BOTH.

Yo personalmente, prefiero tener una llave que solo sirva para arrancar y dos interruptores separados para controlar el encendido.

El esquema a continuación es una representación conceptual de un sistema de arranque genérico. En particular el relé de arranque no representa físicamente a ningún relé concreto.

Un relé no es más que un interruptor cuyo estado abierto/cerrado se controla mediante un electroimán. En el esquema vemos que este relé concreto está normalmente abierto por la acción del muelle (M) que mantiene separados los contactos (C). Cuando giramos la llave de arranque lo que estamos haciendo es cerrar el circuito eléctrico entre el positivo de la batería y masa a través de la bobina (B). Esto hace que circule una corriente eléctrica por la bobina. Como aprendimos en clase de física en el colegio, cuando una corriente eléctrica circula a través de un conductor se genera un campo magnético exactamente igual al de un imán. La bobina, que además está arrollada alrededor de un núcleo metálico simplemente logra que el campo magnético sea más intenso. Este campo magnético atrae a la palanca (P) que cierra los contactos (C) permitiendo que llegue corriente al motor de arranque que al girar inicia la puesta en marcha del motor. Con una corriente pequeña a través de la bobina somos capaces de conectar y desconectar un circuito que permite el paso de una gran cantidad de corriente entre la batería y el motor de arranque. Mientras circule corriente a través de la bobina el campo magnético generado mantiene los contactos cerrados. En cuanto soltamos la llave, ya no circula corriente y desaparece el campo magnético. El muelle hace que la palanca vuelva a su posición original y los contactos se separan.

Pasemos ahora a la siguiente capa y veamos con un poco más de detalle lo que sucede en la bobina dentro del relé al girar la llave. Es especialmente interesante que nos fijemos en lo que sucede inmediatamente después de cerrar o abrir el circuito, un breve periodo de tiempo de estado transitorio mientras la corriente  pasa de cero a su valor máximo al cerrar el circuito o de su valor máximo a cero al abrirlo. En estos estados transitorios las cosas son un poco más complejas. Para ello son de utilidad las dos gráficas siguientes que muestran la variación de la intensidad y del voltaje en la bobina en función del tiempo. Conviene recordar que del mismo modo que una corriente eléctrica a través de un conductor produce un campo magnético a su alrededor, un campo magnético que varia alrededor de un conductor produce una corriente eléctrica en el mismo. Una bobina tiene la propiedad de oponerse a cualquier cambio (variación en el tiempo) en la corriente que la atraviesa. Esta propiedad se llama inductancia. La bobina almacena energía en forma de campo magnético cuando la corriente a través de ella se incrementa y la devuelve cuando la corriente disminuye.

Al girar la llave una corriente eléctrica comienza a circular desde la batería, pasa por el interruptor de arranque, a través de la bobina y llega a masa. Esto como hemos visto genera un campo magnético. En el estado transitorio el campo magnético generado se expande desde el centro de la bobina hacia afuera, es decir, varía y las líneas de fuerza atraviesan las espiras induciendo una corriente en sentido contrario a la corriente inicial que lo creó en primer lugar.  Es lo que se denomina fuerza contraelectromotriz cuya magnitud depende del régimen de cambio de la corriente. Cuanto más rápida sea la variación de la corriente, es decir, cuanto más corto sea el estado transitorio, mayor es la fuerza contraelectromotriz y viceversa. Cuando la corriente a través de la bobina llega a su valor máximo y permanece constante, el campo magnético ya no se expande más (no varía) y por tanto, la fuerza contraelectromotriz desaparece.  Por eso en la gráfica de corriente vs tiempo vemos que los flancos ascendente y descendente no son líneas rectas sino curvas exponenciales. Al soltar la llave se abre el circuito y la corriente pasa de su valor máximo a cero. En esta situación la bobina también se opone al cambio de corriente, como ahora la corriente disminuye, la bobina trata de aumentarla. El campo magnético comienza a desaparecer, es decir, varia lo que vuelve a inducir una corriente eléctrica en sentido contrario a la corriente que circulaba por la bobina antes de abrir el circuito. Estos cambios rápidos en la corriente pueden provocar picos de voltaje elevados, del orden de centenares de voltios, suficientes como para provocar chispazos entre los contactos del interruptor de arranque. De alguna manera hay que disipar toda la energía que la bobina almacenó en forma de campo magnético al principio.

La mala noticia es que esto no es bueno para los interruptores de arranque. Seguro que se necesita mucho tiempo y muchos arranques para que se dañe el interruptor, probablemente en un interruptor con  llave nunca haya problemas pero en los de tipo botón pulsador que suelen ser de peor calidad es más fácil que acaben dañándose con el tiempo. La buena noticia es que hay una solución ligera, económica y fácil de implementar aunque no es habitual verlo en instalaciones de motor de aviones deportivos (en electrónica es imprescindible). Yo personalmente lo tengo instalado en mi avión y  funciona. Se trata simplemente de poner un camino para que toda la corriente que se genera al abrir el circuito circule mientras el campo magnético se colapsa y desaparece evitando así los chispazos. Esto se logra con un simple diodo entre los dos terminales de la bobina del relé. Un diodo es un componente que podemos encontrar en todas las tiendas de electrónica y que cuesta céntimos. Cualquiera que soporte voltajes elevados nos sirve. Por dar una referencia podéis comprar un BY255 que soporta hasta 1300 Voltios y cuesta menos de 20 céntimos.

Físicamente el diodo es un cilindro de unos 4 o 5 mm de diámetro y unos 9 o 10 de longitud como podemos ver en la imagen. El diodo lo hemos de instalar con el ánodo conectado a masa y con el cátodo conectado al terminal del interruptor de arranque en el relé. El extremo marcado con una ralla blanca es el cátodo, el otro el ánodo. Un par de terminales, un poco de funda termoretráctil, unas soldaduras,  un rato de trabajo y ya tenemos el interruptor de arranque protegido.

Como curiosidad, en el siguiente VIDEO podemos ver realmente las chispas que se generan al abrir el circuito.

Y ahora aviadores y aviadoras, a volar, que la vida son cuatro días y uno llueve o hay Mestral.