Components electrònics analògics

Explica què és un díode i què significa que condueix «en un sol sentit». Descriu què passa quan es polaritza en directa (l'ànode al positiu) i quan es polaritza en inversa, fent servir el símil d'una vàlvula antiretorn d'aigua.

Un LED té polaritat: l'ànode (terminal llarg) ha d'anar cap al positiu. Explica què signifiquen les sigles LED, què passa si es connecta a l'inrevés i per què un LED no s'il·lumina encara que la pila tingui prou tensió si està mal orientat.

Un díode de silici comença a conduir apreciablement quan la tensió en directa supera uns $0{,}7\ \text{V}$, la seva «tensió de llindar». Explica què significa aquest llindar i raona per què un díode connectat a una pila de $1{,}5\ \text{V}$ amb una resistència sí que pot conduir, però no amb una pila de $0{,}5\ \text{V}$.

Es vol alimentar un LED vermell (tensió de treball $2\ \text{V}$, corrent $20\ \text{mA}$) des d'una pila de $9\ \text{V}$ amb una resistència en sèrie. (a) Calcula quina tensió ha de caure a la resistència. (b) Calcula el valor de la resistència aplicant la llei d'Ohm, $R = \frac{V}{I}$, amb les unitats correctes. (c) Explica què passaria si la resistència fos molt menor que la calculada.

La figura mostra la corba característica tensió-corrent d'un díode de silici, amb la tensió de llindar marcada amb un interrogant, com es mostra a la figura.

(a) Explica què representa cada zona de la corba: la gairebé plana de l'esquerra i la que puja amb força a la dreta. (b) Indica quin valor aproximat té la tensió marcada amb l'interrogant en un díode de silici i què significa. (c) Raona per què en inversa el corrent és pràcticament nul i què passa si se supera la tensió de ruptura.

Un fabricant dissenya una lluminària connectada a una font regulada de $12\ \text{V}$ i valora dues opcions per alimentar dos díodes LED idèntics segons catàleg ($V_F = 2{,}0\ \text{V}$, $I_F = 15\ \text{mA}$ cadascun):

• Opció A: Tots dos LED en sèrie amb una única resistència limitadora $R_A$.

• Opció B: Tots dos LED en paral·lel compartint una única resistència limitadora comuna $R_B$.

(a) Calcula el valor teòric de resistència per a totes dues opcions i selecciona el valor comercial normalitzat superior (sèrie E12: $100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680, 820\ \Omega$). Determina a més la potència mínima comercial de la resistència ($1/4\ \text{W}$ o $1/2\ \text{W}$) en cada cas.

(b) A causa de les toleràncies de fabricació, un díode té en realitat una tensió llindar d'$1{,}95\ \text{V}$ i l'altre de $2{,}05\ \text{V}$. Justifica què passarà en el muntatge de l'Opció B analitzant la corba característica $I$-$V$ del díode i prediu per què aquesta configuració sol desencadenar la destrucció tèrmica prematura dels components.

(c) Si la tensió d'alimentació de $12\ \text{V}$ pateix una sobretensió accidental i puja a $14\ \text{V}$, calcula l'increment percentual de corrent que experimentaran els LED en l'Opció A i analitza l'eficiència energètica global del sistema.

Explica què és una LDR i com canvia la seva resistència en passar de plena llum a foscor (baixa molt amb llum, puja molt a les fosques). Posa un exemple d'aparell quotidià que la faci servir per decidir automàticament si encén alguna cosa.

Un divisor de tensió alimentat a $12\ \text{V}$ està format per una LDR a dalt i una resistència fixa de $10\ \text{k}\Omega$ a baix, i la sortida es pren al punt mitjà. La LDR val $2\ \text{k}\Omega$ amb llum i $50\ \text{k}\Omega$ a les fosques. Calcula la tensió del punt mitjà en tots dos casos, $V_\text{sortida} = 12 \cdot \frac{R_\text{fija}}{R_\text{fija} + R_\text{LDR}}$, i explica per què aquest punt serveix com a senyal «llum/foscor».

Una NTC de $10\ \text{k}\Omega$ a $25\ ^\circ\text{C}$ baixa a $5\ \text{k}\Omega$ a $45\ ^\circ\text{C}$. Es munta en un divisor amb una resistència fixa de $10\ \text{k}\Omega$, alimentat a $10\ \text{V}$, amb la NTC a dalt i la fixa a baix. (a) Calcula la tensió del punt mitjà a $25\ ^\circ\text{C}$ i a $45\ ^\circ\text{C}$. (b) Explica com un circuit que llegeixi aquesta tensió pot saber si fa més o menys calor i per què la sortida puja amb la temperatura en aquest muntatge.

Explica què és un condensador i què significa que «emmagatzema càrrega». Indica en quina unitat es mesura la seva capacitat (el farad) i descriu dues aplicacions: filtrar una tensió amb arrissament i temporitzar (crear retards).

El transistor té tres terminals: col·lector, base i emissor. Explica amb el símil d'una aixeta governada per una maneta petita com un corrent petit per la base controla un corrent gran entre col·lector i emissor.

Un condensador de $100\ \mu\text{F}$ es carrega a través d'una resistència de $10\ \text{k}\Omega$.

1. a) Calcula la constant de temps del circuit, $\tau = R \cdot C$, expressada en segons.

1. b) Explica què significa físicament aquest valor de $\tau$ en el procés de càrrega del condensador.

1. c) Raona com canviaria el retard si la resistència fos el doble.

Un transistor BJT NPN amb paràmetres $\beta = 100$, $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ i $V_{CE,\text{sat}} = 0{,}2\ \text{V}$ s'utilitza per accionar un motor de corrent continu de $12\ \text{V}$ i $400\ \text{mA}$ des de la sortida digital de $5\ \text{V}$ d'un microcontrolador.

(a) Un dissenyador col·loca una resistència de base $R_B = 10\ \text{k}\Omega$ argumentant que, com que $\beta = 100$, el corrent de base subministrat bastarà perquè el motor rebi els seus $400\ \text{mA}$. Demostra calculant el punt de treball ($I_B$, $I_C$ i $V_{CE}$) per què aquesta afirmació és falsa i identifica la zona de funcionament en què queda el transistor.

(b) Calcula la potència dissipada pel transistor amb aquesta resistència de $10\ \text{k}\Omega$ i compara-la amb la potència dissipada si estigués en saturació profunda. Explica per què el transistor corre perill imminent de destrucció per sobreescalfament en el primer cas.

(c) Dissenya el valor comercial de $R_B$ aplicant un coeficient de sobresaturació de seguretat $k = 2$ ($I_B \ge 2 \cdot I_{B,\text{mín}}$) per assegurar que el transistor funcioni com un commutador tancat eficient.