Els components electrònics

Repte del tema. Relaciona cada component electrònic amb la seva funció en un circuit i justifica una de les teves eleccions.

Components:

1. a) Condensador

1. b) Díode

1. c) Relé

1. d) Transistor

Funcions (en desordre):

1. Interruptor controlat per un corrent molt petit que, a més, pot amplificar-lo.

2. Deixa passar el corrent en un sol sentit i el bloqueja en el contrari.

3. Interruptor que s'acciona mitjançant un electroimant, és a dir, amb un altre corrent independent del que commuta.

4. Emmagatzema càrrega elèctrica i la retorna al circuit més tard.

Què has de fer:

Escriu les parelles amb el format a) → número, b) → número, c) → número i d) → número. Després tria'n una i explica amb les teves paraules per què aquesta funció correspon a aquest component, indicant un exemple d'ús quotidià.

Es valorarà:

• Que les quatre parelles siguin correctes.

• Que la justificació de la parella triada sigui clara i raonada.

• Que incloguis un exemple d'aplicació real.

Pista. Fixa't en les paraules clau: «un sol sentit», «emmagatzema», «electroimant» i «corrent petit». El relé i el transistor s'assemblen, però el relé fa servir un electroimant i el transistor és un component semiconductor sense parts mòbils.

Digues si són vertaderes o falses aquestes afirmacions i justifica cada resposta: (a) el díode condueix el corrent en els dos sentits; (b) el condensador guarda energia en forma de càrrega; (c) el relé permet que un circuit de poca potència en controli un altre de molta; (d) el transistor només serveix per amplificar so.

Les resistències no porten el seu valor imprès amb números, sinó amb bandes de colors. Explica què és el codi de colors, per què s'utilitza en lloc de números i què indiquen les tres primeres bandes.

Explica el mètode del codi de colors amb un exemple resolt per tu: una resistència amb bandes marró, negra i vermella. Les dues primeres bandes són xifres (marró $= 1$, negre $= 0$) i la tercera és el multiplicador (vermell $= \cdot 100$). Calcula el seu valor en ohms i expressa'l en quilohms.

Calcula el valor d'una resistència amb bandes vermella, vermella i marró (vermell $= 2$, multiplicador marró $= \cdot 10$), explicant cada pas, i després indica quines bandes tindria una resistència de $560\ \Omega$ utilitzant la taula: negre 0, marró 1, vermell 2, taronja 3, groc 4, verd 5, blau 6, violeta 7, gris 8, blanc 9.

La figura mostra una resistència real amb les seves quatre bandes de color.

Les bandes són vermella, violeta, taronja i platejada. Llegeix el seu valor amb el codi: les dues primeres bandes són xifres (vermell $= 2$, violeta $= 7$), la tercera és el multiplicador (taronja $= \cdot 1.000$) i la quarta la tolerància (plata $= \pm 10\ \%$). Calcula el valor nominal en ohms i en quilohms, i el rang real en què pot estar la resistència.

Explica què és un potenciòmetre i anomena dos aparells quotidians on s'utilitzi, indicant què s'ajusta en cada cas.

Pista. Pensa en què passa amb la resistència elèctrica quan gires o lliscs el comandament del component.

La LDR i la NTC són resistències variables, però automàtiques: el seu valor no es canvia a mà, sinó que depèn d'una magnitud de l'entorn.

1. a) Explica quina magnitud física fa canviar el valor de la LDR i quina magnitud fa canviar el valor de la NTC.

1. b) Indica com varia la resistència de cadascuna en augmentar aquesta magnitud.

1. c) Posa un exemple d'ús quotidià per a cadascuna d'elles.

Fes el camí invers del codi: escriu les quatre bandes (dues xifres, multiplicador i tolerància daurada del $\pm 5\ \%$) d'una resistència de $4{,}7\ \text{k}\Omega$, explicant com descompons el valor $47 \cdot 100\ \Omega$.

Una resistència de $100\ \Omega$ té tolerància daurada del $\pm 5\ \%$. Calcula entre quins valors reals pot estar, explica què significa la tolerància per a qui fabrica i raona si aquest marge importa molt en un LED d'una llanterna o en el rellotge d'un aparell precís.

La figura mostra els símbols de sis components electrònics bàsics amb el seu nom, tret d'un que està tapat.

El component tapat és una resistència el valor de la qual depèn de la llum que rep; fixa't en les fletxes que arriben al símbol. Anomena'l, explica què passa amb el seu valor quan hi ha molta llum i posa un exemple d'aparell que el faci servir.

El LED, com tot díode, té polaritat. Explica què passa si el connectes al revés en un circuit, com es distingeix la seva pota positiva de la negativa i per què convé comprovar-ho abans de muntar.

Un company afirma: «Un LED vermell de $2\ \text{V}$ i $20\ \text{mA}$ connectat a una pila de $9\ \text{V}$ no necessita resistència de protecció perquè, segons la llei d'Ohm, el LED només absorbirà els $20\ \text{mA}$ que necessita i no es cremarà».

1. a) Rebat la seva afirmació explicant què passa realment amb la resistència interna d'un díode polaritzat en directe i prediu què li passarà al LED si es connecta directament a la pila sense limitar el corrent.
2. b) Calcula el valor exacte de la resistència que has de connectar en sèrie amb el LED perquè funcioni en el seu punt nominal ($2\ \text{V}$ i $20\ \text{mA}$).
3. c) Calcula la potència en watts que dissiparà aquesta resistència en funcionament normal i justifica si seria adequat utilitzar una resistència estàndard d'$1/4\ \text{W}$ ($0{,}25\ \text{W}$) o si se'n requeriria una d'$1/2\ \text{W}$ ($0{,}5\ \text{W}$).

El flaix de la làmpada de flaix d'una càmera fotogràfica requereix una potència instantània de $1200\ \text{W}$ durant un pols de tot just $1\ \text{ms}$ ($0{,}001\ \text{s}$). Tot i això, la càmera s'alimenta amb dues piles que només poden lliurar de manera contínua una potència màxima de $3\ \text{W}$.

1. a) Calcula l'energia en joules ($E = P \cdot t$) consumida durant un flaix i demostra per què és físicament impossible encendre el flaix connectant-lo directament a les piles.
2. b) Explica com soluciona el condensador aquest problema analitzant el procés de càrrega i descàrrega: per què la càmera necessita esperar uns segons abans de permetre una nova foto?
3. c) Si se substitueix el condensador original per un altre amb el doble de capacitat ($2C$), prediu i justifica raonadament què passarà amb el temps de recàrrega entre fotos i amb l'energia disponible per al flaix.

La figura mostra un transistor treballant com a interruptor: un corrent petit arriba per una pota i en controla un altre de molt més gran que alimenta un LED.

La pota tapada amb «?» és la de control, la que decideix si el transistor deixa passar o no el corrent entre les altres dues (C, col·lector, i E, emissor).

1. a) Anomena aquesta pota de control.

1. b) Explica el símil de l'aixeta: en una aixeta, un gir petit de la clau governa un cabal d'aigua gran. Indica quina part del transistor correspondria a la clau, quina al cabal d'aigua i què passa al LED.

1. c) Explica per què es diu que el transistor treballa com a interruptor.

Explica la càrrega i descàrrega d'un condensador amb el símil d'un dipòsit que s'omple i es buida, i raona qualitativament per què serveix per fabricar retards: què li passa a la brillantor d'un LED connectat a un condensador que es va descarregant.

Els fars d'un cotxe consumeixen molt de corrent i s'encenen des d'un comandament petit al tauler de control. Explica com resol el relé aquest problema (el comandament activa una bobina que tanca un altre circuit potent), quins dos circuits queden separats i quin avantatge de seguretat aporta aquesta separació.

Un estudiant vol regular la brillantor d'un LED vermell ($V_{\text{LED}} = 2\ \text{V}$, $I_{\text{màx}} = 20\ \text{mA}$) connectat a una pila de $9\ \text{V}$, i decideix connectar en sèrie únicament la pila, el LED i un potenciòmetre de $0$ a $1\ \text{k}\Omega$.

1. a) Prediu què li passarà al LED si es gira el comandament del potenciòmetre fins al límit de mínima resistència ($0\ \Omega$). Justifica-ho calculant el corrent que circularia segons la llei d'Ohm.
2. b) Redissenya el circuit afegint una resistència fixa de protecció en sèrie. Calcula el valor òhmic mínim que ha de tenir aquesta resistència perquè el corrent mai superi els $20\ \text{mA}$ admissibles pel LED.
3. c) Amb aquesta resistència fixa calculada, determina quin serà el corrent mínim (brillantor més tènue) quan el potenciòmetre se situï en el seu valor màxim ($1\ \text{k}\Omega$).

Vols construir un avisador de gelades per a un hivernacle que encengui un LED d'alarma quan la temperatura baixi fins als $0\ ^\circ\text{C}$. Disposes d'una pila de $9\ \text{V}$, un transistor NPN (que comença a conduir quan la tensió base-emissor $V_{\text{BE}}$ arriba a $0{,}7\ \text{V}$), una resistència fixa $R_1$, un LED amb la seva resistència de protecció i un termistor NTC la resistència del qual és de $2\ \text{k}\Omega$ a $25\ ^\circ\text{C}$ i de $10\ \text{k}\Omega$ a $0\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Perquè el transistor s'activi en baixar la temperatura, has de col·locar la NTC a la branca superior del divisor de tensió (connectada a $+9\ \text{V}$) o a la branca inferior (connectada a massa/$0\ \text{V}$)? Justifica la teva resposta analitzant com varia la tensió a la base en refredar-se el sensor.
2. b) Si es munta la NTC en la posició correcta juntament amb una resistència fixa $R_1 = 1\ \text{k}\Omega$, calcula la tensió a la base tant a $25\ ^\circ\text{C}$ com a $0\ ^\circ\text{C}$. Prediu raonadament si el LED estarà encès o apagat a cadascuna d'aquestes dues temperatures.

Un equip de robòtica escolar ha de triar el component adequat per actuar com a interruptor en tres parts diferents d'un prototip:

1. Connectar i desconnectar un motor de corrent continu de $230\ \text{V}$ i alta potència mitjançant un senyal digital de control de $5\ \text{V}$ emès per un microcontrolador.

2. Fer parpellejar una tira de LED a una freqüència molt alta ($500\ \text{Hz}$) mitjançant polsos de control de baixa tensió, sense que es produeixi cap soroll acústic ni desgast mecànic.

3. Instal·lar un polsador de parada d'emergència que un operari humà pugui accionar per tallar físicament l'alimentació general davant d'un perill.

Per a cada cas, selecciona la millor opció entre un interruptor manual, un relé electromecànic i un transistor NPN. Justifica cada elecció analitzant avantatges i inconvenients respecte a la velocitat de commutació, el desgast mecànic i l'aïllament galvànic (separació comandament-potència).