CLUB ESPAÑOL DE AMIGOS DEL RENAULT 4/4 Cursitos de Mantenimiento y Artículos Técnicos

Mejoras en la instalación eléctrica en vehículos clásicos con

batería de 6 voltios Por: José Vicente Martí (cheivi)

1 – La electricidad en el automóvil La invención del motor de explosión y su aplicación a vehículos de reducido tamaño dio lugar al espectacular auge de la industria del automóvil a principios del siglo XX. Inicialmente el motor de explosión compitió con los motores de vapor y eléctricos, pero finalmente se impuso. La necesidad de una chispa para el encendido de la mezcla en el interior de los cilindros obligaba a disponer de corriente eléctrica. Ésta se generaba de forma autónoma en una dinamo en el instante en que el motor empezaba a girar. La forma de iniciar el funcionamiento de este tipo de motores consistía en mover una manivela sujeta al cigüeñal, provocando el giro del motor y desencadenando todos los acontecimientos internos necesarios para su puesta en marcha. Este sistema de arranque resultó ser sucio, incómodo y peligroso vetando, además, el uso del automóvil a las mujeres, quienes generalmente carecían de la fuerza necesaria para arrancar el motor impulsando la manivela. Fue el fabricante Cadillac en 1912 el primero en incorporar un motor eléctrico para realizar esta pesada tarea. Funcionaba presionando un pedal que activaba el motor eléctrico, haciendo girar el cigüeñal del motor y produciendo el arranque de este último. Para proporcionar al motor eléctrico de arranque la energía necesaria para hacer girar el motor principal, era necesario equipar al vehículo con un acumulador de energía: la batería eléctrica. Una batería consta de un conjunto de células, cada una de las cuales es capaz de producir un determinado voltaje. Asociando dichas células los voltajes se suman, permitiendo alcanzar el valor deseado. La primera forma de asociar las células consistió

en colocarlas unas encima de otras, apilándolas. De ahí el nombre de “pila eléctrica” que perdura aún en nuestros días. Otra forma consiste en ponerlas una junto a otra “en batería”.

1.1 – Principios básicos de la electricidad La circulación de la electricidad por un circuito puede compararse con el movimiento de los líquidos por el interior de las tuberías de una instalación de fontanería. La electricidad posee dos propiedades básicas: - Tensión, diferencia de potencial o voltaje: Es comparable a la presión del líquido. A mayor presión (mayor altura del depósito en donde se encuentra almacenado), mayor “fuerza” tiene el líquido. Se mide el Voltios (en honor a Alejandro Volta, desarrollador de la primera pila eléctrica) y serían equiparables a los metros de altura a que se encuentra la superficie del líquido en el depósito. - Corriente: Es comparable al caudal del líquido. Corresponde al número de electrones que pasan por un punto del circuito por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (en honor a André-Marie Ampère, importante investigador de la relación entre electricidad y magnetismo) y se pueden comparar con los litros líquido que pasan por un punto del circuito por unidad de tiempo. La potencia eléctrica es el resultado de multiplicar tensión por corriente y se mide en Watios (en honor a James Watt, quien contribuyó de forma decisiva al desarrollo de la máquina de vapor). Entonces:

Potencia (Watios) = Tensión (Voltios) x Corriente (Amperios)

Por ejemplo, si el filamento de la bombilla de un faro que funciona con 6 Voltios es atravesado por una corriente de 8 Amperios cuando está encendido, quiere decir que está disipando (o consumiendo) una potencia de:

Potencia (Watios) = 6 Voltios x 8 Amperios = 48 Watios

Una célula eléctrica suele proporcionar un voltaje comprendido entre 0’4 y 4 Voltios (dependiendo de las sustancias que la formen) y una corriente que depende de su tamaño. Las células obtenidas al sumergir plomo en ácido sulfúrico diluido en agua proporcionan un voltaje de algo más de 2 Voltios cada una. Es por ello que una batería de automóvil de 6 Voltios tiene 3 vasos y una de 12 Voltios tiene 6 vasos. A partir de lo expuesto, resulta evidente que para conseguir una mayor potencia es necesario incrementar el voltaje, la corriente o ambos.

1.2 – Instalación eléctrica de 6 Voltios La fabricación de automóviles constituía en los años 50 una industria multimillonaria. Europa estaba reconstruyéndose o recuperándose de la Segunda Guerra Mundial y el automóvil estaba haciéndose más popular de lo que había sido nunca.

Las circunstancias propiciaban el desarrollo de vehículos de tamaño reducido, económicos, sencillos y con motores, por tanto, de escasa potencia. Cada elemento y pieza era cuidadosamente estudiado y calculado para darle la dimensión justa para cumplir con su función. Sobredimensionar cualquier componente significaba incrementar el coste de fabricación de algo que se producía en millares o millones de unidades, multiplicando en la misma proporción el sobrecoste. Para el reducido tamaño y potencia de los motores de la época se adoptaron baterías de 6 Voltios, suficientes para proporcionar la corriente necesaria para poner en marcha dichos motores y suministrar energía a todos los elementos del sistema eléctrico del vehículo. Cuando la nueva década propició el aumento del tamaño de los vehículos y la potencia de sus motores, la potencia eléctrica necesaria para arrancarlos fue aumentando. Dicho aumento solamente se podía conseguir incrementando la corriente eléctrica del motor de arranque, ya que la única alternativa consiste en incrementar el voltaje y ello implicaba la sustitución de la batería. La corriente de los motores de arranque fue incrementándose hasta alcanzar valores considerables que rondaban los 100 Amperios (en algunos motores de arranque la corriente máxima soportada alcanza los 400 Amperios). En lo que respecta a la batería, estos valores implican que la capacidad tiene que ser considerable. La capacidad de una batería se mide en Ah (Amperios-hora) y el valor representa la cantidad de horas que esa batería puede suministrar una corriente de 1 Amperio de forma ininterrumpida o, dicho de otra forma, la cantidad de corriente que tiene que entregar de forma constante para descargarse por completo en una hora. Volviendo al símil del líquido esto equivaldría a los litros que caben en un depósito. Cuanto mayor es la corriente que consume el motor de arranque, más capacidad hace falta en la batería para que varios arranques consecutivos o uno problemático o costoso (cosa habitual en la época) la descarguen con facilidad. La capacidad de una batería es proporcional a su tamaño, con lo cual para que una batería pueda suministrar más corriente hay que aumentar su tamaño y por tanto su peso. Cuando el aumento se acumula, llega un momento en que el tamaño requerido empieza a ser respetable. Otro problema derivado del uso de una alimentación de 6 Voltios es que la caída de tensión en los conductores es más importante. La caída de tensión se puede comparar con la pérdida de presión en una instalación de fontanería. Cuanto más larga es una tubería, menos presión llega a su extremo. En el caso de que la presión a la entrada de la tubería ya sea escasa (la presión equivale al voltaje y en nuestro caso son 6 Voltios) la pérdida es aún más evidente. En vehículos donde la batería está en un extremo y el motor de arranque en el otro, este hecho tiene como consecuencia una falta de “alegría” del motor de arranque al actuar. Fue entonces cuando los fabricantes decidieron que no podían sostener la situación y empezaron a dotar a sus vehículos con baterías de 12 Voltios (Renault ya lo hacía con sus modelos “export” destinados a Norteamérica, donde el mayor tamaño medio de los vehículos hacía que las baterías de 6 Voltios fuesen casi desconocidas). Con esta modificación se reduce a la mitad la corriente del motor de arranque a igualdad de

potencia. También se reduce considerablemente el efecto de la caída de tensión (o “pérdida de presión”) dado que el voltaje inicial es el doble y la misma pérdida porcentual no afecta tanto. Esta solución resolvió a partir de mediados de la década de 1960 los problemas relacionados con la instalación de 6 Voltios de los automóviles, pero nuestros clásicos salieron de la cadena de montaje con sus instalaciones de 6 Voltios y los problemas que ello acarrea. A modo de resumen, enunciamos los problemas derivados de una instalación eléctrica de 6 Voltios: - Dificultad de la batería para “mover” el motor de arranque. - Falta de intensidad en la iluminación. - Calentamiento de los conmutadores de accesorios eléctricos. - Necesidad de batería grande.

- Rápida descarga de la batería. 2 – Soluciones Para paliar los problemas derivados de una instalación de 6 Voltios hay varias soluciones de diferente complejidad, coste y eficiencia. Elegir la acertada depende del vehículo en particular y de la situación de su instalación eléctrica. Cualquiera que sea la actuación a realizar sobre el vehículo (o incluso aunque no se realice ninguna) es imperativo instalar una caja de fusibles que eviten el incendio del vehículo en caso de cortocircuito, dado que habitualmente estos coches no contaban con este tipo de seguridad. Como mínimo se montará:

- Un fusible de 20 Amperios para las luces de cruce y carretera - Un fusible de 10 Amperios para todos los elementos que pueden funcionar

sin activar el contacto - Un fusible de 20 Amperios para todos los elementos que funcionan con la

llave en posición de contacto. En la Figura 1 se muestra un esquema indicando la ubicación de dichos fusibles en la instalación eléctrica del vehículo. Para resolver los problemas típicos de una instalación de 6 Voltios hay varias soluciones posibles, pero vamos a proponer tres actuaciones interesantes: - Conversión de la instalación a 12 voltios - Incremento de la sección de los cables - Instalación de relés

Figura 1 – Instalación elemental de fusibles

2.1 – Conversión de la instalación a 12 Voltios

La conversión de un vehículo de 6 Voltios a 12 Voltios es la solución más compleja, costosa y eficaz. Obviamente se eliminan todas las desventajas de tener una instalación de 6 Voltios (incluso la dificultad de encontrar baterías y el mayor coste de éstas) al eliminar dicha instalación. En cuanto a inconvenientes, es necesario reemplazar o adaptar todos los elementos eléctricos del vehículo:

- Lámparas. Conseguir de 12 voltios mecánicamente compatibles e idéntica potencia.

- Dinamo. Buscar una de 12 voltios o reemplazar por un alternador (mucho más eficaz y con la ventaja añadida de poder tener integrado el regulador de carga).

- Motor de arranque. Es el punto crítico de la conversión en cuanto a coste. Hay que conseguir uno de 12 voltios o bobinar de nuevo el de 6 Voltios. En todo caso, el motor de arranque es lo suficientemente robusto como para soportar actuaciones breves a 12 voltios, pero un funcionamiento continuado podría fundir alguna de sus bobinas. Es una lástima que los del Renault 4L, que son mecánicamente compatibles, tengan sentido de giro inverso a los del 4/4 y Dauphine.

- Regulador de carga. Reemplazar por uno de 12 voltios o eliminar en caso de instalar un alternador con regulador integrado.

- Instrumentos del salpicadero. Seguramente lo más problemático. Tanto en el indicador de nivel de combustible como en el de temperatura del motor hay que instalar unas resistencias en serie para adaptarlos al nuevo voltaje (próximamente, explicación detallada). Otra opción es localizar instrumentos de 12 Voltios y sustituirlos.

- Interruptores y conmutadores. Dado que a igualdad de potencia la instalación de 12 Voltios es atravesada por la mitad de corriente que la de 6 Voltios, estos elementos son aprovechables al igual que el cableado.

En el caso particular del 4/4 la batería se encuentra justo al lado del motor de arranque, lo cual hace que el tramo de cable que debe soportar las elevadas corrientes del arranque sea muy corto, la caída de tensión pequeña y el rendimiento de la batería de 6 Voltios aceptable. En los vehículos donde el motor y la batería se encuentran en extremos opuestos (Dauphine, Ondine, Gordini) existe una caída de tensión significativa a lo largo del cable (de casi 4 metros de longitud) y parte de la energía de la batería se pierde por la caída de tensión (se invierte en calentar el cable). Adicionalmente el elevado coste del cobre en la época hizo que se montase un cable con un calibre inferior al adecuado, lo cual contribuye a acentuar el problema. En este caso el cambio a 12 Voltios tendrá unas consecuencias mucho más evidentes.

2.2 – Incremento de la sección de los conductores Como ya se ha comentado en el punto anterior, el elevado coste del cobre en la época de fabricación de los vehículos de 6 Voltios llevó a montar conductores de sección muy ajustada que contribuyen a empeorar el rendimiento eléctrico. El tiempo puede depositar suciedad o sulfato en los terminales de algunas conexiones incrementando su resistencia eléctrica y empeorando aún más la situación. Evidentemente, la limpieza de los contactos (puntos de conexión) es importante para mejorar el rendimiento. Para ello existen en las tiendas de electrónica productos denominados “contact cleaner” (limpiador de contactos) que contribuyen a mantener la calidad del contacto eléctrico mejorando la conductividad y reduciendo el calentamiento y la caída de tensión. Si la limpieza de contactos se revela insuficiente, una mejora adicional consiste en incrementar la sección de los conductores. La forma de conseguirlo consiste en reemplazar los conductores originales por otros de mayor sección. Pero no es necesario eliminar toda la instalación eléctrica y rehacerla de nuevo. Solamente hay unos pocos accesorios que consuman cantidades considerables de corriente y mejoren con esta acción. Los conductores que merecen ser reemplazados podrían ser:

- Luces de cruce - Luces de carretera - Motor del limpiaparabrisas - Motor de la calefacción eléctrica (si la tiene) - Cualquier otro accesorio eléctrico que consuma más de 2 Amperios.

Para cada uno de estos conductores habrá que buscar su origen (punto lo más cercano posible al positivo de batería) y su destino (dispositivo que activa) retirando el cable original y sustituyéndolo por uno nuevo, a ser posible del mismo color, y de una sección de al menos 2’5 milímetros cuadrados (mm2). Aunque, una vez puestos a realizar este tipo de modificación, hay que instalar una caja de fusibles y entonces el origen del cable sería el fusible correspondiente.

Por otro lado, en un automóvil, uno de los terminales de la batería (el negativo en la inmensa mayoría de ocasiones) está conectado al chasis metálico del vehículo (conexión denominada “masa”), de forma que cualquier elemento eléctrico solamente tiene que anclarse al chasis metálico (donde conseguirá contacto eléctrico con el polo negativo de la batería) y hacerle llegar mediante un solo cable la corriente procedente del terminal positivo. Con este sistema la instalación eléctrica elimina la mitad de cables (los que deberían conectar cada uno de los dispositivos eléctricos del coche con el terminal negativo de la batería). Esta técnica tiene como contrapartida que todos los elementos eléctricos del coche se conectan al negativo de batería a través del chasis. Cuando la conexión de dicho terminal de la batería a la parte metálica del coche pierde conductividad, todo empieza a ir mucho peor, o incluso a no funcionar en absoluto. Lo mismo sucede con la conexión de cada uno de los elementos eléctricos del coche al chasis (su masa). Si no es de buena calidad, el funcionamiento se resiente. Esto es especialmente importante para el motor de arranque. Dada la gran corriente que necesita, si hay algún mal contacto entre él y la batería, el funcionamiento se resiente más que el de cualquier otro dispositivo. Como el motor de arranque suele estar montado sobre le propio motor y éste a su vez acoplado al chasis mediante silent-blocks o amortiguadores, hay ocasiones en que la conexión eléctrica entre estos elementos no es todo lo buena que debiera. Incluso al restaurar o mejorar el coche se han pintado piezas que deben estar en contacto eléctrico entre sí, haciendo que la propia pintura dificulte ese contacto. Una actuación que mejora el rendimiento y la fiabilidad de esta conexión o masa eléctrica consiste en instalar un cable de grosor considerable (al menos 70 milímetros cuadrados, es decir, un centímetro de diámetro) entre motor, transmisión y chasis, asegurándose de que en los puntos de anclaje el contacto es de metal contra metal, sin pinturas, antigravilla ni sustancia alguna entre medio. Posteriormente se puede rociar la zona con grasa conductora de la que se emplea para proteger los bornes de la batería.

2.3 – Instalación de relés Una de las consecuencias negativas de las elevadas corrientes involucradas en las instalaciones de 6 Voltios es el excesivo calentamiento de los conmutadores e interruptores de la instalación eléctrica, como por ejemplo luces de cruce, luces de carretera y limpiaparabrisas. Además de que el calentamiento es indicativo de pérdida de tensión, hace que la vida útil de estos elementos se reduzca. Dado que dichos interruptores generalmente son específicos resultan difíciles de reemplazar en caso de rotura, por lo cual es interesante protegerlos de alguna forma. El dispositivo que puede solventar este problema es el relé. Un relé es un interruptor activado por un electroimán. La corriente necesaria para activar el electroimán es muy reducida (de una fracción de Amperio) mientras que la que puede conmutar el

interruptor asociado puede ser considerable (8, 10, 12 o incluso más Amperios). A continuación se muestra un dibujo esquemático de la estructura de un relé.

Figura 2 – Estructura de un relé

Adicionalmente los relés pueden facilitar la implementación de la solución indicada en el apartado anterior (incremento de la sección de los conductores) porque el conductor de elevada sección solamente es necesario desde el polo positivo de la batería (o el fusible correspondiente) hasta el relé y de allí al elemento eléctrico de destino (como por ejemplo los faros). En este ejemplo, el uso de relés permitiría realizar la modificación sin necesidad de acceder al mando de luces. Como puede apreciarse en la Figura 2, el relé presenta dos conexiones para la bobina del electroimán y tres más por cada interruptor que contiene (hay relés con más de un interruptor, en cuyo caso todos se accionan simultáneamente al activar el electroimán). Para proporcionar al relé tanto la posibilidad de conectar algo al activar el electroimán como de desconectarlo, se le dota con tres conexiones. Estas conexiones se denominan C (común), NC (normalmente cerrado – normally closed) y NO (normalmente abierto – normally open). Si queremos que nuestro circuito se active al activar el electroimán, utilizaremos C y NO; si queremos que nuestro circuito se desactive al activar el electroimán, utilizaremos C y NC. En nuestro caso, siempre nos encontraremos en la primera opción. El problema al que nos enfrentamos es la dificultad de localizar relés de automoción de 6 Voltios, dado que hace mucho tiempo que no existen vehículos con ese tipo de instalación eléctrica. Este tipo de relés tienen un aspecto como el de la siguiente imagen y se caracterizan por sus conexiones de tipo fast-on. Sin embargo, existen en el mercado relés de 6 Voltios con un aspecto diferente a los de automoción que sirven igualmente para nuestro propósito. El tipo de relé más habitual en las tiendas de electrónica para corrientes en el rango de 5 a 20 Amperios es el que se muestra en la Figura 4.

Figura 3 – Aspecto de un relé de automoción

Este último tipo de relé se caracteriza porque sus terminales son como los pines de los componentes electrónicos y para utilizarlos adecuadamente es necesario colocarlos en un zócalo específico o soldarlos bien a una placa de circuito impreso o bien directamente a los cables conductores. La primera solución simplifica la sustitución en caso de avería del relé, pero las otras dos proporcionan un mejor contacto eléctrico, mejor comportamiento frente a las vibraciones y posibilidad de un montaje más discreto, dado el considerable tamaño de los zócalos, diseñados para ser montados en carril DIN (el que se usa en los armarios de conexiones eléctricas para sujetar a la pared del fondo los diferenciales, térmicos y otros dispositivos). En un relé de este tipo, se puede determinar cuál es cada uno de sus terminales simplemente mirando el interior a través de su cubierta transparente.

Figura 4 – Aspecto de un relé para aplicaciones electrónicas

Obviamente, si localizamos relés de automoción de 6 voltios, constituyen la solución ideal. En caso contrario, los de aplicaciones electrónicas realizarán la misma función. Para operar mediante un relé alguno de los circuitos de nuestros vehículos, debemos proceder como se describe a continuación. Como lo más habitual para esta modificación es hacerla sobre las luces de cruce y carretera, la emplearemos como ejemplo. 1 – Localizar el recorrido completo del cable que alimenta al dispositivo. En nuestro caso, el positivo procede del positivo de la batería o de una regleta que se encuentra detrás del velocímetro. De allí va al mando de luces y luego, a través del panel delantero, por el lado izquierdo del maletero salen dos conductores (uno para luz de cruce y otro para luz de carretera) hasta los faros delanteros (tal vez con una regleta de bifurcación de por medio). Este esquema se muestra en la Figura 5. 2 – Decidir dónde se ubicarán el o los relés. Seguramente el mejor lugar es justo antes de que los cables crucen el panel frontal que separa el habitáculo del maletero. La instalación será más complicada e incómoda, pero una vez terminada será imposible de detectar. 3 – Interceptar el cable positivo después del interruptor que activa el dispositivo eléctrico. Necesitamos averiguar cuál de los cables que salen del mando de luces es el de la luz de cruce y cuál el de la luz de carretera. Luego hay que marcarlos inequívocamente (con cinta aislante, por ejemplo), desconectar uno de los bornes de la batería y después cortarlos ambos (cuanto más lejos del mando de luces mejor, dado que el resto del cable lo retiraremos y más vale que nos sobre cable que que nos falte). A estos cables los llamaremos ENTRADA_CRUCE y ENTRADA_CARRETERA.

Figura 5 – Instalación original

4 – Llevar un cable de gran sección (entre 2’5 mm2 y 6 mm2) desde el positivo de batería (a través de un fusible) hasta la ubicación de del relé. A este cable lo llamaremos POSITIVO y encintaremos su extremo para evitar que haga contacto con el chasis

mientras trabajamos y realizamos comprobaciones. Resulta muy conveniente que sea de color ROJO.

Figura 6 – Cables interceptados e identificados

5 – Reemplazar los tramos de cable que van desde el punto en que se han cortado hasta los faros por cable de la misma sección que el del punto 4. Es aconsejable que el nuevo cable tenga el mismo color que el que se retira y que las capuchas de sus extremos (hechas con termorretráctil) sean también del mismo color que las originales. A estos cables lo llamaremos SALIDA_CRUCE y SALIDA_CARRETERA.

Figura 7 – Cables reemplazados

6 – Localizar un punto de masa cerca del lugar donde se desea ubicar los relés. Si se realiza un taladro en la plancha para fijarlos, se puede aprovechar dicho taladro. En caso

contrario, buscar un tornillo o punto metálico en contacto con el chasis. Confeccionar un cable no necesariamente grueso (con 1 mm2 es suficiente) con un extremo conectado firmemente a dicho punto de masa. A este cable lo llamaremos MASA.

Figura 8 – Prueba bobinas relés

7 – Conectar el cable ENTRADA_CRUCE y el cable MASA a los terminales de la bobina del electroimán de uno de los relés. Conectar el cable ENTRADA_CARRETERA y el cable MASA a los terminales de la bobina del electroimán del otro relé. En este momento se puede comprobar (conectando de nuevo el borne de la batería) que cuando desde el mando de luces se enciende la luz de cruce se activa el relé que hemos conectado al cable ENTRADA_CRUCE y lo mismo sucede con el de la luz de carretera. Una vez comprobado este funcionamiento volver a desconectar el borne de la batería. Es aconsejable conectar un diodo (1N4007) en paralelo con cada una de las bobinas, de forma que su terminal negativo esté conectado a MASA y su terminal positivo (el que tiene la raya blanca más cerca) al cable que proviene del mando de luces. La presencia de estos diodos evita que se produzcan chispas en el mando de luces al apagar tanto la luz de cruce como la de carretera. 8 – Conectar el cable POSITIVO a los dos terminales COMÚN de los dos relés. Aislar perfectamente los cables y los terminales con termorretráctil para que no exista la posibilidad de que el positivo de batería entre en contacto con el chasis, produciendo un cortocircuito. 9 – Conectar los cables SALIDA_CRUCE y SALIDA_CARRETERA a los terminales NORMALMENTE ABIERTO de sus respectivos relés (es decir, el SALIDA_CRUCE al relé donde habíamos conectado el ENTRADA_CRUCE y el SALIDA_CARRETERA al relé donde habíamos conectado el ENTRADA_CARRETERA). 10 – Conectar el borne de la batería y comprobar el correcto funcionamiento del nuevo sistema.

Figura 9 – Montaje definitivo