boletin 1 beto

7/29/2019 Boletin 1 Beto

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VALOR: $ 15.99 USDCOLECCIN DE REPORTES No. 1

Uso del Osciloscopio yCombustin Interna

-

Seales de Onda de la

Chispa de Ignicin

Por Beto Booster

La seal de onda de ignicin es una ventana que

nos permite observar lo que est ocurriendo

dentro de la cmara de combustin.

Desde sus humildes inicios, el motor de

combustin interna se ha transformado varias

veces para producir ms potencia y ser ms

eficiente. El motor de combustin interna de hoy

en da viene en dos presentaciones: ignicin por

compresin (diesel) e ignicin por chispa.


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En este artculo analizaremos el sistema de ignicin por chispa. En este

punto, es el sistema de encendido dominante en la mayor parte del

mundo.

Es importante comprender la forma en que la energa es liberada en el

sistema de ignicin del motor. En un motor de combustin interna, la

mezcla de aire/combustible es succionada dentro de los cilindros en

donde es comprimida. A medida que la mezcla aire/combustible es

comprimida, las molculas son forzadas a agruparse en un espacio ms

pequeo. Es provoca choques entre unas y otras, lo cual genera un

efecto de friccin molecular y ello produce calor.

Sin profundizar en asuntos de qumica, es preciso sealar que se

requiere de energa para mantener unidos a los diferentes tomos que

forma una cadena molecular en las molculas combustible de

hidrocarburo.

Entonces, para que el combustible libere la energa que tiene

almacenada, las molculas deben separarse, o dividirse, con lo que se

convierten en diferentes formas de estructura molecular ms

pequeas, las cuales contienen un estado de menor energa. Una vez

que las molculas de combustible se han desbaratado, la energa que

mantena todo junto ya no es requerida. La energa que se libera esprecisamente lo que brinda su potencia al motor de combustin

interna.


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En un motor con sistema de ignicin por chispa, la compresin por s

sola no suministra la suficiente energa para separar a las molculas de

combustible. El calor que se transfiere a las molculas de combustible

las vuelve ms inestables y reactivas, pero debe aplicarse ms fuerza

para separar a los tomos contenidos en las molculas. No sera fcil

separar a dos luchadores trenzados en combate. Para separarlos,

necesitas aplicar una energa mayor y ser ms fuertes que para

separarlos.

Una pistola de shock elctrico de 100,000 voltios sera suficiente. La

energa potencial suministrada por la pistola de shock es mayor que la

energa de los luchadores en plena lucha, as que al dispararles se

separaran. Aunque la compresin de cilindro genera energa calorfica,

se necesita ms energa para separar la estructura molecular delcombustible y as, liberar la energa. Esa energa proviene de la chispa

de alto voltaje del sistema de ignicin.


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Se han utilizado muchos tipos diferentes de sistema de ignicin para

proveer chispas de alta energa necesaria para encender la mezcla. El

sistema ms popular en uso hoy en da es el transformador, que utiliza

un polo de bajo voltaje y alta corriente para generar un alto voltaje de

baja corriente. Esto se logra con dos embobinados diferentes de

alambre de cobre. El primer embobinado se le conoce como el primario

y al segundo embobinado como el secundario. El primario se embobina

alrededor de un ncleo de hierro, lo cual amplifica el campo magntico.

En transformadores ms modernos, este ncleo est formado por

muchas placas de metal ferroso (por lo regular hierro dulce), laminados

uno sobre otro. Esto brinda una mejor amplificacin que un centro

slido de una sola pieza.

El embobinado primario utiliza un dimetro mayor de alambre con

menos embobinados. Esto permite que el primario tenga un valor deresistencia muy bajo. El secundario usa un alambre de menor dimetro

con muchos ms embobinados para producir un valor de resistencia

mucho mayor. La bobina automotriz por lo regular tiene una

proporcin de aproximadamente 1:100. En otras palabras, por cada

vuelta del embobinado primario, el secundario tiene 100 vueltas. La

resistencia del embobinado primario por lo regular se encuentra en el

rango de 1 a 4 ohms, mientras que el embobinado secundario tieneuna resistencia tpica desde 8 000 hasta 16 000 ohms.


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Los embobinados primario y secundario estn aislados uno del otro

mediante un aceite dielctrico o una resina epoxy. El aceite de

transformador puede soportar un voltaje de ruptura de 20kV a 25 kV,

pero en transformadores ms modernos de alta energa, el epoxy

sellado al vaco puede tolerar un nivel de 50 kV. El primario y el

secundario estn acoplados electromagnticamente, de modo que

todo lo que le afecte a una embobinado se reflejara en el otro y

viceversa.

El transformador

automotriz

utiliza la

induccin

electromagntica

para producir la

energa de lachispa. Para

comprender

como funciona el transformador, veamos la seal de onda producida

por este dispositivo, comenzando con el segmento A de la figura 2.

(Estaremos refirindonos a esta seal de onda). Este es el voltaje de

circuito abierto, o voltaje sin carga, porque el circuito no ha sido

cerrado. No hay corriente elctrica fluyendo a travs del primario eneste punto. Entonces, abruptamente el voltaje cae cuando el mdulo

de encendido o la PCM se activa, con lo cual se cierra el circuito


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primario a tierra (segmento B de la seal de onda). Este voltaje siempre

estar muy cerca de tierra.

La cada de voltaje inicial depende de que el driver empleado para

controlar la corriente sea un transistor o un MOSFET. Si se utilizara un

transistor, la cada de voltaje sera de 0.7 a 1 volt. Esto se debe a la

resistencia a travs del transistor. Un MOSFET tiene menos resistencia,

lo cual produce una cada de voltaje hasta 0.1-0.3 volts. La cada de

voltaje inicial es el voltaje que permanece en el circuito para empujar a

la corriente a travs de la resistencia del driver en el mdulo (segmento

C de la seal de onda).

Una vez que el mdulo cierra al driver, la corriente comienza a fluir a

travs del embobinado del circuito primario de la bobina. Cuando la

corriente fluye por el embobinado, toda la corriente se utiliza para

crear un campo magntico alrededor del embobinado. (Fig. 3). Estecampo magntico se conoce como inductancia. El campo magntico

es proporcional a la inductancia y la corriente. En otras palabras, entre

mayor sea la corriente, mayor ser la inductancia del campo magntico.

A medida que el campo magntico se acumula, se mueve a travs de

los embobinados primario y secundario, induciendo voltaje en ambos.

Sin embargo, el efecto producido por esta induccin se manifiesta deforma diferente en ambos embobinados. Mientas el campo magntico

aumenta y se desplaza en el embobinado secundario, induce una


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fuerza electromotriz (fem) y libera electrones. Esto puede apreciarse en

la seal de onda del secundario cuando el driver del mdulo se cierra.

Existen oscilaciones de voltaje cuando el circuito se cierra de inicio (Fig.

4). Esto es provocado por el campo magntico ambulante y que induce

voltaje en los embobinados contenidos dentro del circuito secundario.

Existe capacitancia entre los embobinados. Ocurre cuando dos

conductores esta separados por un espacio y hay corriente fluyendo a

travs de ellos. El potencial elctrico se acumula entre ambos

conductores. El tamao de los conductores y la distancia entre ellos

determina la cantidad de capacitancia.

El efecto contra-

fem se presenta

en el circuito

cuando la energacambia para

convertirse entre

elctrica a

magntica. Estas

oscilaciones

contra-fem disminuyen para tomar la forma de una curva que se vuelve

plana cuando la bobina se satura. El punto de saturacin variardependiendo de la cantidad de corriente a travs del primario, la

cantidad de resistencia y el nmero de vueltas dentro del embobinado.


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A medida que el campo magntico se acumula y se desplaza a travs

del embobinado primario, el voltaje que se ha inducido en el mismo

circuito primario ha liberado electrones. Sin embargo, dado que la

corriente fluye a travs del primario, estos electrones libres impiden el

mismo flujo de corriente. Pongamos un ejemplo para entender e

ilustrar esto un poco mejor.

Imagina unos pocos automviles circulando a alta velocidad por la

autopista, tan rpido como puedan. Ahora imagina ms automviles

incorporndose al trfico de la autopista. Los autos que entran a la

autopista no podran cambiar el flujo vehicular que ya est en la

autopista, sin que aumentara la cercana entre ellos. T mismo puedes

atestiguar este efecto de trfico concentrado: entre ms vehculos

entren a la autopista, ms y ms cerca quedan los vehculos unos de

otros, al grado que la circulacin se vuelve lenta. Hay una relacindirecta entre mayor presencia vehicular y disminucin de la velocidad

de flujo. A veces es tanta la proximidad, que existen colisiones que

frenan an ms el avance. Al igual que el trfico vehicular concentrado,

la cercana de los electrones al saturar el embobinado primario por

donde circulan, inducen un voltaje en el mismo primario, y esto

produce una resistencia adicional al cambio de corriente fluyendo en el

primario. Esta resistencia se conoce como fuerza contraelectromotriz,contra-voltaje, o contra-fem.


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Siempre que hay

inductancia en un

circuito, una fuerza

contraelectromotriz

se producir en una

forma que resistir

el flujo de corriente.

Y cuando hay

resistencia en un

circuito, habr cada

de voltaje que ser

proporcional a la

resistencia. Esta

cada de voltaje

puede apreciarse

como el ligeroaumento en el fondo

de la seal de onda primaria. Si

disminuimos al ajuste de

voltaje para magnificar el fondo

de la seal de onda del

embobinado primario de

ignicin, la cada de voltajepuede apreciarse ms

claramente (segmento D de la


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seal de onda en la foto superior de la Fig. 5 y magnificada en la imagen

inferior; en la foto se muestra una tpica pinza amperimtrica en uso).

Dado que al corriente que fluye a travs del embobinado produce

resistencia para la cada de voltaje, se refleja la seal de onda del

embobinado primario de ignicin pero hecha con una pinza

amperimtrica (imagen inferior de la Fig.5). El punto de saturacin de la

bobina de encendido se basa en la corriente fluyendo a travs de l.

Entre mayor sea al corriente, mayores sern las lneas de fuerza

magntica. De igual manera, entre menor sea la corriente, las lneas de

fuerza magntica sern a su vez ms pequeas.

Entonces el circuito limita la corriente fluyendo a travs del

embobinado primario (segmento E de la seal de onda de la Fig. 2). Sin

embargo, el campo magntico an prevalece a su mxima fuerza. Nota

como cuando la limitacin de corriente se ha activado, el voltaje anest por debajo del voltaje de circuito abierto (segmento F de la seal

de onda). Para conseguir esto, se incluye un resistor en el circuito para


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limitar la corriente. Si el circuito primario tiene resistencia indeseada, el

tiempo para que el lmite de corriente se active se ver incrementado.

Si la bobina estuviera en corto o tuviera una resistencia menor de lo

normal, entonces el tiempo de limitacin de corriente se ver

disminuido. Si las caractersticas de diseo se conocen, variaciones en

el tiempo esperado para limitar la corriente sern un indicativo de un

problema.

A medida que aumentan las RPM del motor, el tiempo entre el disparo

de los cilindros se vuelve ms corto; el tiempo para saturar la bobina

disminuye y la limitacin de corriente tambin se detendr. (No todos

los sistemas de encendido tienen limitacin de corriente.) La PCM

entonces enva el comando de apagar el driver del mdulo. El campo

magntico comienza entonces a colapsarse a travs del embobinado

secundario.

Cuando el campo magntico se desplaza por el alambre del

embobinado, se induce voltaje en ese mismo alambre. Esta induccin

produce fuerza electromotriz, la cual libera electrones y los empuja a

travs del circuito. La cantidad de induccin es proporcional al tamao

del campo magntico y la velocidad con la cual el campo magntico se

colapsa a travs del embobinado secundario.

Se utiliza un condensador o capacitor para promover un colapso ms

veloz del campo. Ningn componente permitir que la corriente directa


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llegue a tierra; sin embargo, la corriente alterna s puede pasar. Una

corriente directa que se emite en pulsos muy rpidos se puede

convertir en corriente alterna que pueda pasar a travs por un

capacitor. Esto permite que la corriente en el circuito primario pase por

medio de estos componentes.

El capacitor est conectado al circuito primario. Una vez que el flujo de

corriente se detiene, parte del campo magntico se regresa al

embobinado primario para estabilizar la corriente dentro del

embobinado mismo. Entre ms veloz sea la disipacin en el

condensador de la corriente del embobinado primario, ms veloz ser

el colapso del campo magntico. El rpido movimiento del campo

magntico incrementa la induccin dentro del embobinado secundario

y la corriente, siendo empujada por un alto voltaje de hasta 50kV,

buscar el camino que halle disponible para llegar a tierra.

La bobina del secundario est conectada a una buja. Los electrones se

mueven a travs de la calibracin de la buja; no obstante, esto es un

circuito abierto. Cuando un voltaje est tratando de empujar electrones

a travs de un circuito abierto, formar primero una corona, tambin

conocido como campo elctrico de baja energa, entre los electrodos de

la buja.

Una vez que la corona se ha formado, dar comienzo la ionizacin. Se

necesita de un voltaje muy alto para comenzar la ionizacin. El


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potencial elctrico aplicar la fuerza suficiente sobre los tomos entre

los electrodos de la buja para liberar a los electrones (Fig. 7B). Los

tomos que han liberado electrones se convierten entonces en iones

positivos. (Un ion es un tomo que tiene una carga elctrica positiva o

negativa y se produce como resultado de que el tomo pierda o gane

uno o ms electrones.) Este es un voltaje de ruptura, o el voltaje

requerido para forzar a los electrones a travs de la resistencia.

En este caso, la resistencia es la calibracin misma de la buja

(segmento C de la seal de onda en la figura 2). Entre mayor sea el

espacio de separacin de la calibracin de la buja o mayor se la

resistencia entre los electrodos de las bujas, mayor ser el voltaje de

ruptura. Este voltaje de ruptura se lee como kV y es la cantidad deenerga requerida para superar la resistencia total dentro del circuito.


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Una vez que los electrones han cruzado la calibracin, la ionizacin est

completa.

Observa las oscilaciones que ocurren a medida que el flujo de

electrones comienza justo despus del voltaje de ruptura (segmento H

de la seal de onda de la figura 2). Estas variaciones, u oscilaciones, son

creadas por la induccin ocurriendo a travs de los embobinados y la

capacitancia entre las vueltas. El transformador facilita la tarea de

transformar a la energa elctrica en energa magntica. El voltaje de

ruptura que inicia el arco es muy rpido (cerca de 2 nanosegundos).

Este pico de rapidsima energa inicia del cambio de energa entre

elctrica y magntica. Entre ms alto sea el pico para iniciar el arco,

sern ms las oscilaciones que se presentarn enseguida.

Estas oscilaciones son anlogas a tener un nio en el columpio. El chico

comienza en una posicin estacionaria en el columpio. Un empujnfuerte genera que el columpio se mueva. Entre ms fuerte el empujn,

el columpio ir ms alto. Entonces el columpio oscilar hacia enfrente y

hacia atrs hasta que la energa se haya disipado por completo: hasta

que su inercia se agote. La bobina de encendido convierte energa

elctrica en energa magntica y viceversa en una forma muy similar. El

columpio, siendo un dispositivo mecnico, necesita un empujn o

energa para comenzar su actividad, justo como la descarga de labobina o el empujn generan un pico de energa. Una vez que los

electrones establecen el flujo, el voltaje se estabiliza y las oscilaciones


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disminuirn en una forma de voltaje uniforme (segmento I de la seal

de onda en Fig. 2).

Una vez que la ionizacin ocurre, los electrones libres y los iones

positivos forman un camino a travs de los electrodos de la buja. Esto

ocurre en un punto donde el nmero de electrones fluyendo igualan al

nmero de iones positivos, con lo que se produce el plasma

(segmento H en la seal de Fig. 8). El plasma es un gas caliente ionizado

que envuelve a los electrones que fluyen a travs de l, con lo cual

disminuye la

resistencia entre

los electrodos de

buja (Fig. 7C). La

resistencia del

plasma se ve

afectada por elgas y la presin

que lo compone.

El plasma

disminuir el

voltaje requerido

para mantener el

flujo deelectrones en los

electrodos.


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El nivel de voltaje en el cual la ionizacin se convierte en plasma, no es

solamente cultura general: es un punto muy importante para analizar.

Dado que el voltaje de ruptura no es estable, sino que se mueva hacia

arriba y hacia abajo en varios ciclos de descarga, es necesario revisar el

nivel de voltaje del plasma. El voltaje de plasma es ms estable que el

voltaje de ruptura y

mostrar valores de

resistencia que no

pueden ser apreciados

en el kV de ruptura. El

punto en el cual la

ionizacin se convierte

en plasma, ser

afectada solamentepor la resistencia del circuito.

En la figura 9, la traza

amarilla tiene un

resistor de 20k colocado

en el cable de ignicin.

La traza roja es elcilindro compaero y el

punto de plasma es


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normal. El punto de plasma de la traza amarilla es 2.3 kV ms alto, con

lo cual nos indica presencia de resistencia en el circuito.

En la figura 10, la traza amarilla tiene una calibracin de .20 in entre el

cable de ignicin y la buja. La traza roja es el cilindro compaero y el

punto de plasma es normal. En la traza amarilla, el punto de plasma

est 1.2 kV ms alto de lo normal, indicando tambin resistencia en el

circuito.

En la figura 11,

el inyector se ha

desconectado,

impidiendo la

entrega de

combustible al

cilindro. Observaque el punto en

la regin de

ionizacin/plasma no difiere casi nada entre la traza amarilla y la roja,

con lo cual se indica una resistencia normal en el circuito. No obstante,

la seal de onda de plasma tiene ms resistencia debido a la falta de

hidrocarburos en el gas de plasma. Esto produce un aumento de voltaje

muy pronunciado en el tiempo de quemado que excede los 10 kV.


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Estas comparaciones que hemos revisado te dicen muchsimo sobre el

comportamiento y repercusiones sobre la combustin, al presentarse

condiciones de falla en los componentes relacionados con el sistema de

encendido e inyeccin, por cada cilindro por separado.

Una vez que el flujo de electrones se establece entre en la buja,

continuar circulando hasta que la energa disponible en el secundario,

se agote. A medida que el transformador se queda sin energa cerca del

final del tiempo de quemado, observamos un pequeo aumento en el

voltaje mientras la chispa se extingue (segmento J en la figura 2). Esto

es debido al plasma consumindose. Los electrones del transformador

comienzan a disminuir en nmero generando un desbalance entre los

iones positivos y los electrones, llevando a que el plasma se agote.

Dado que el plasma suministra un camino de circulacin elctrica que

tiene menos resistencia, este agotamiento del plasma sugiere que la

resistencia se ha incrementado, provocando entonces que el voltaje seeleve justo al final del tiempo de quemado.

La induccin que puso energa elctrica en el embobinado secundario,

no es infinita: tiene un lmite. Una bobina de encendido que se

encuentra totalmente saturada es como un cubo de agua

completamente lleno. Si se utiliza una bomba para succionar el agua

fuera del cubo bajo presin a travs de un orificio fijo, entonces lapresin sera elevada, y el agua se vacara rpido. Cuando el agua acabe,

la presin caera. En el secundario de la bobina, entre mayor sea el


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voltaje el embobinado necesita empujar los electrones a travs de la

resistencia del circuito, el consumo de electrones ser ms rpido.

El perodo cuando los electrones saltan la calibracin de la buja es

conocido como tiempo de quemado (segmentos G-J de la seal de

onda figura 2). El tiempo de quemado fluctuar de acuerdo con la

presin que se requiri para iniciar el flujo de los electrones a travs del

circuito. Si el pico de voltaje es bajo, el tiempo de quemado ser ms

largo; si el voltaje es mayor, el tiempo de quemado ser ms corto.

El voltaje de ruptura el tiempo de quemado se ven influenciados por la

presin de la compresin y el contenido del gas que se encuentra

dentro de la cmara de combustin. Bajo condiciones normales, el

cilindro se llena con un gas formado por aire del ambiente (aprox. 21%

oxgeno y 79% nitrgeno) e hidrocarburos C4H8 (gasolina) en una

proporcin cercana a 14.7 parte de aire por una de combustible. Lamezcla de gas en el cilindro est conformada de tomos que se

ionizarn permitiendo el salto de chispa a travs de los electrodos.

Sabemos que los tomos se ionizarn. Pero si las condiciones cambian,

se capacidad de ionizacin tambin cambiar. La cantidad de

compresin modificar la densidad de la mezcla, lo cual tendr un

efecto directo sobre la ionizacin. La turbulencia dentro del cilindrotambin modificar las caractersticas de la seal de onda de ignicin.


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Si cualquiera de estas variables cambiara compresin, turbulencia,

contenido de la mezcla, combustible- entonces la ionizacin que forma

al plasma sufrir modificaciones que correspondern a los cambios de

las variables. En consecuencia, dichas modificaciones se ven reflejadas

directamente en la forma de la seal de onda y esto es justo lo que nos

permite realizar el diagnstico con osciloscopio.

La chispa se detiene cuando la energa elctrica no es lo

suficientemente fuerte para mantener a los electrones fluyendo por la

calibracin de la buja (segmento J en la seal de onda Fig. 2). Cualquier

energa sobrante en la bobina debe ser absorbida por los embobinados.

Esta energa absorbida provoca las oscilaciones en la seal de onda al

final de la duracin de la chispa (segmento K en la seal de onda).
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Estas variaciones pueden utilizarse para ver cuanta energa se utiliz o

no se utiliz durante la descarga de la ignicin. Un alto cambio en el

voltaje un alto nmero de oscilaciones al final de la seal de onda

indican la cantidad de energa

restante en la bobina. Si no hay

oscilaciones, la energa de la

bobina ha sido totalmente disipada.

La forma de la seal de onda es

una ventana que te permite a ti

como tcnico, ver lo que est

ocurriendo dentro de la cmara de

combustin. Una vez que aprendes

como analizar la seal de onda

durante el voltaje de ruptura y el

tiempo de quemado, vers como laseal de onda refleja lo que est

con el cilindro. Ejemplos de las condiciones que pueden identificarse

por medio de las seales de

onda de ignicin incluyen la

proporcin aire/combustible,

preignicin, turbulencia

causada por vlvulas y tiempode la cadena de distribucin,

turbulencia causada por la
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contrapresin del escape, EGR, vapor de agua por una fuga interna de

refrigerante, bujas desgastadas, acumulacin de carbonilla, resistencia

dentro del circuito, bobinas en mal estado, etc.

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PREGUNTAS PARA REPASAR CONCEPTOS:

Refirindonos a la forma de la seal de onda de la figura 2, mientrasrealizamos el diagnstico del sistema de encendido con un osciloscopio

digital conectado a una laptop:

1. El punto o segmento A nos indica:a) Tierra b) Baja frecuencia c) Voltaje de batera

2. El punto B nos indica:

a) Activacin de circuito b) Cada de voltaje c) Corto

3. Qu sucede en el segmento C?a) Tierra b) Corto c) Activacin de circuito

4. Qu ocurre en la seccin D?a) Contra-voltaje b) Saturacin c) Colapso de campo magntico

5. Los segmentos E y F nos indican:a) Limitacin de corriente b) Saturacin c) Quemado

6. El punto G nos indica:a) Voltaje de ruptura b) Colapso c) Polarizacin

7. El segmento H, I y J nos indican:a) Quemado b) Ionizacin c) Oscilaciones

8. El punto K qu nos indica?a) Arco elctrico b) Energa sobrante c) Inestabilidad

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