David Quispe Cahuina

Títulos Descriptivos Específicos:

"Del Arco Eléctrico a las Ondas de Radio: Física de las Interferencias en Bujías"

"Ruptura Dieléctrica y Contaminación Electromagnética en Bobinas de Encendido"

"Acoplamiento Capacitivo e Inductivo: Origen del Ruido Electromagnético en Circuitos de Ignición"

"Espectro de Emisiones RF Durante la Ionización de Mezclas Aire-Combustible"

"Plasma, Dipolo Oscilante y Radiación: Trilogía del Ruido en Sistemas de Chispa"

Fase de Ruptura (Breakdown):

Cuando el voltaje alcanza ~15-40 kV, se supera la rigidez dieléctrica del aire (≈3 kV/mm a 1 atm). La ecuación de Paschen describe el voltaje de ruptura:

Explicación sobre cómo se generan los ruidos EMI (Electromagnetic Interference) y RFI (Radio Frequency Interference) en bobinas de encendido y bujías.

1. Concepto general de EMI y RFI en sistemas de encendido

En un sistema de encendido automotriz, las bobinas y bujías generan impulsos eléctricos de alta tensión (15–45 kV) y altísima velocidad de variación de corriente.
Esa variación provoca campos electromagnéticos variables, los cuales irradian energía que puede interferir con señales electrónicas sensibles del vehículo (ECU, sensores, radio, CAN bus, etc.).

EMI (Interferencia Electromagnética) → se da por campos eléctricos y magnéticos transitorios generados por cambios bruscos de corriente.
RFI (Interferencia de Frecuencia de Radio) → es una forma específica de EMI, pero en el rango de frecuencias de radio (kHz–GHz), producida principalmente por la chispa en la bujía.

2. Física del fenómeno

La Ley de Faraday–Neumann–Lenz describe el origen electromagnético:

$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$

Donde:

$\mathcal{E}$ = fuerza electromotriz inducida (V)
$\Phi_B$ = flujo magnético (Wb)

En la bobina, la corriente cambia de 0 a varios amperios en microsegundos:

$\frac{dI}{dt} \approx 10^6 \text{ a } 10^8 \text{ A/s}$

Ese cambio tan rápido genera campos electromagnéticos intensos.
Según la Ley de Ampère-Maxwell:

$\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$

el término $\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$ produce ondas electromagnéticas (RFI) que se propagan.

3. Generación de ruido en la chispa de la bujía

Cuando el voltaje de la bobina excede la rigidez dieléctrica del gas (≈ 30 kV/cm en aire), ocurre una ruptura dieléctrica:

$E = \frac{V}{d}$

Esa ruptura ioniza el aire (O₂, N₂, HC residuales), generando plasma:

$N_2 + e^- \rightarrow N_2^+ + 2e^-$

La corriente de la chispa (hasta 100 mA) oscila y se extingue en microsegundos, produciendo una señal de alta frecuencia que irradia energía en un espectro amplio (1 MHz – 300 MHz) → RFI.

4. Componentes eléctricos que agravan o mitigan EMI/RFI

Bobinas sin resistencia parásita o blindaje → mayor EMI
Cables de alta tensión largos o sin supresión resistiva → actúan como antenas radiantes
Bujías con resistencia interna (5–10 kΩ) → reducen la tasa de cambio de corriente ( $dI/dt$ ) y suprimen RFI
Filtros RC o ferritas → absorben energía de alta frecuencia y limitan la interferencia

5. Análisis matemático de la radiación

La potencia radiada por una corriente oscilante $I(t)$ de frecuencia $f$ se puede aproximar por:

$P = \frac{\mu_0}{6\pi c} I_0^2 (2\pi f)^2 L^2$

donde:

$L$ = longitud del conductor que actúa como antena
$f$ = frecuencia dominante
$I_$ = amplitud de corriente

Ejemplo: un cable de 0.5 m, con $I_0 = 0.05$ A y $f = 20 \text{ MHz}$ →
$P ≈ 10^{-5} \, \text{W}$ , suficiente para perturbar una ECU cercana.

6. Aspecto químico de la ionización

Durante la chispa, se producen reacciones ionizantes:

Ionización primaria:

O_{2} + e^{-} \to 2 O + e^{-}

Excitación molecular:

N_{2} + e^{-} \to N_{2}^{*} + e^{-}

Recombinación:

O^{+} + e^{-} \to O + h ν

El fotón $h\nu$ liberado puede estar en el rango de UV–visible, y el movimiento acelerado de los electrones libres produce radiación electromagnética (RFI).

7. Modelado electromagnético de una bobina

La bobina puede modelarse como un circuito RLC resonante:

$V(t) = L\frac{dI}{dt} + RI + \frac{1}{C} \int I \, dt$

La energía almacenada:

$E = \frac{1}{2} L I^2$

y al liberarse bruscamente, genera oscilaciones:

$I(t) = I_0 e^{-\alpha t} \cos(\omega_d t)$

esas oscilaciones corresponden a componentes de frecuencia de radio (RFI).

8. Efectos y mitigación en diseño automotriz

Blindaje metálico en bobinas y cables reduce campos radiados.
Filtros LC o ferritas en la alimentación de la ECU atenúan EMI conducido.
Bujías resistivas y cables supresores limitan la energía HF de la chispa.
Aislamiento de masa común en el chasis evita acoplamientos capacitivos.

9. Aplicación práctica en diagnóstico

Osciloscopios automotrices con ancho de banda >20 MHz pueden visualizar los pulsos parásitos EMI.
Si una bobina genera más ruido que otras, puede tener aislamiento degradado o falta de resistencia supresora.
Algunos sistemas usan bobinas individuales (COP) para minimizar los bucles de radiación.

10. Preguntas

1. ¿Qué parámetro físico determina la intensidad del campo electromagnético emitido por la bobina?

La tasa de variación de la corriente

\frac{dI}{dt}

, según la ley de Faraday.

2. ¿Qué ley explica la generación de ondas electromagnéticas por la chispa?

La ley de Ampère-Maxwell:

\nabla \times B = \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t}

3. ¿Por qué la resistencia interna en la bujía reduce el RFI?

Porque disminuye el

dI/dt

y actúa como un filtro RC pasivo.

4. ¿Qué frecuencia típica alcanza el ruido RFI de una chispa?

Entre 1 MHz y 300 MHz.

5. ¿Cómo influye la longitud del cable en la radiación EMI?

A mayor longitud, mayor antena efectiva → más radiación.

6. ¿Qué energía se libera en una bobina de 4 mH con 6 A antes del disparo?

E = 1/^{2 L2} = 0.5 (0.004) (6)^{2} = 0.072 J

7. ¿Qué fenómeno químico produce la conductividad del aire en la bujía?

Ionización de moléculas de N₂ y O₂ bajo campo eléctrico intenso.

8. ¿Qué parámetro eléctrico define la resonancia del circuito RLC en la bobina?

La frecuencia

f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

9. ¿Cómo se mide el EMI en laboratorio automotriz?

Con un analizador de espectro y antenas de campo cercano o cámaras semianecoicas.

10. ¿Qué ecuación describe la radiación total de una corriente alternante en un conductor?

P = \frac{μ _{0}}{6 π c} I_{02} (2 π f)^{2} L^{2}

Fenómenos de Radiación Electromagnética en circuitos de alta tensión de ignición