Circuits electrònics senzills

Explica què és una placa de prototips (protoboard), per què no necessita soldadura i com estan connectats els seus forats per dins: quina diferència hi ha entre els rails laterals (llargues tires horitzontals) i les tires curtes verticals de la zona central.

La figura mostra una placa de proves (protoboard) amb els seus rails d'alimentació a la part superior i les seves tires de contactes de cinc forats, separades per un canal central. Hi ha dues zones marcades: una en verd i una altra amb un signe d'interrogació.

La zona verda marca una tira de cinc forats units per dins en vertical. La zona taronja amb ? abasta els dos últims forats d'una tira superior i els dos primers de la tira inferior de la mateixa columna, i creua el canal central de la placa.

Respon:

1. a) Raona si els forats de la zona taronja estan units o separats entre ells a través del canal.

1. b) Explica per a què serveix aquest canal central.

1. c) Explica com s'han de col·locar els components respecte al canal per no unir potes que no han de tocar-se.

Explica la diferència entre l'esquema d'un circuit (dibuix amb símbols) i la foto d'un muntatge real, i raona per què el mateix esquema es pot muntar de moltes maneres diferents sobre la protoboard sense canviar el circuit.

Un LED mai es connecta a una pila «a pèl»; sempre es col·loca una resistència en sèrie amb ell. Explica quina funció compleix aquesta resistència de protecció en el circuit i què els passa al LED i a la pila si es munta sense ella.

Pista. Pensa en què passa amb la intensitat del corrent quan el LED, que gairebé no ofereix resistència al pas del corrent, queda connectat directament als borns de la pila.

Ordena els passos per muntar un LED amb la seva resistència a la protoboard i explica el motiu del segon: (a) col·locar el LED respectant la seva polaritat; (b) calcular el valor de la resistència; (c) connectar la resistència en sèrie; (d) alimentar amb la pila i comprovar.

Un LED necessita $2\ \text{V}$ i $20\ \text{mA}$ i es connectarà a una pila de $9\ \text{V}$. Calcula la resistència de protecció pas a pas: la resistència s'ha de quedar la tensió que sobra, $9 - 2 = 7\ \text{V}$, i per ella passa el mateix corrent que pel LED. Aplica la llei d'Ohm i comenta quin valor normalitzat triaries ($330\ \Omega$ o $390\ \Omega$).

La figura mostra el circuit d'un LED amb la seva resistència de protecció, el valor de la qual falta.

La pila és de $6\ \text{V}$ i el LED necessita $2\ \text{V}$ i $20\ \text{mA}$. Calcula el valor que ha de tenir la resistència, explica quina tensió suporta i quina intensitat la travessa, i tria entre els valors normalitzats $180\ \Omega$ i $220\ \Omega$ raonant quin protegeix millor.

Calcula la resistència de protecció per a una llanterna amb pila de $4{,}5\ \text{V}$ i un LED d'$1{,}8\ \text{V}$ i $15\ \text{mA}$. Mostra els tres passos (tensió a la resistència, aplicació de la llei d'Ohm, valor en ohms).

Els simuladors de circuits permeten muntar en pantalla un circuit abans de tocar un sol component físic. Cita dues avantatges d'usar un simulador davant del muntatge real i una limitació del simulador davant del muntatge real. Després, explica per què tot i així convé simular primer.

Descriu com portaries l'esquema d'un LED amb resistència a la protoboard, pas a pas: a quin rail va el positiu de la pila, a quines tires col·loques cada pateta del LED i de la resistència, i com comproves que cap pateta comparteix tira per error.

Explica amb les teves paraules què fa l'LDR en un muntatge de «llum que s'encén de nit»: com canvia la seva resistència quan es fa fosc i per què aquest canvi pot governar un transistor que encén el LED.

La figura mostra un detector de foscor: quan falta llum, el LED s'encén.

El component tapat del divisor és el que canvia el seu valor amb la llum. Identifica'l, explica què li passa a la seva resistència en fer-se fosc (augmenta molt) i com aquest canvi fa que per la base del transistor arribi corrent suficient per encendre el LED.

Repte del tema. La llum de cortesia d'un cotxe no s'apaga de cop en tancar la porta: triga uns segons a apagar-se. En el circuit que la controla hi ha un condensador connectat a la base d'un transistor que fa d'interruptor per a la làmpada.

1. a) Explica qualitativament què li passa al condensador mentre la porta és oberta i què li passa en el moment en què es tanca la porta i es talla l'alimentació directa.

1. b) Explica com aquest comportament del condensador aconsegueix que la làmpada continuï encesa uns segons i després s'apagui.

1. c) Indica què canviaria (el temps que triga a apagar-se) si posessis un condensador de més capacitat, i justifica la teva resposta.

Es valorarà: que descriguis la càrrega i la descàrrega del condensador, que relacionis la descàrrega amb el corrent que continua arribant al transistor i que justifiquis l'efecte d'una capacitat més gran.

Has muntat un interruptor crepuscular amb un transistor NPN el divisor de tensió a la base del qual està format per una LDR (connectada a $+9\ \text{V}$) i una resistència fixa de $10\ \text{k}\Omega$ connectada a massa. El circuit activa un llum quan la tensió a la base cau per sota de $0{,}7\ \text{V}$. En provar-lo en un passadís, observes que el llum només s'encén quan la foscor és total (la LDR arriba a $120\ \text{k}\Omega$), però necessites que s'activi ja en penombra (quan la LDR ronda els $40\ \text{k}\Omega$). Justifica amb càlculs per què el circuit actual no s'encén en penombra i dissenya una modificació substituint la resistència fixa per un potenciòmetre: calcula quin valor exacte de resistència ha de tenir el potenciòmetre per aconseguir l'encesa just als $40\ \text{k}\Omega$ de la LDR.

Al taller disposes d'un circuit de control amb un transistor NPN que activa un relé quan la tensió de base $V_B \ge 0{,}7\ \text{V}$. La base està connectada al punt intermedi d'un divisor de tensió format per una resistència fixa $R = 10\ \text{k}\Omega$ i una LDR connectades a una alimentació de $4{,}5\ \text{V}$. Mesures la resistència de la LDR: a plena llum val $1\ \text{k}\Omega$ i en foscor val $100\ \text{k}\Omega$.

1. a) Calcula la tensió de base $V_B$ en condicions de llum i de foscor si la LDR està connectada entre la base i massa (resistència fixa connectada a $+4{,}5\ \text{V}$). Determina raonadament si el circuit funciona com a detector de llum o de foscor.
2. b) Si necessites reconvertir el circuit perquè funcioni exactament a l'inrevés (per encendre una alarma si algú encén la llum d'una habitació a les fosques), dedueix quin canvi físic has de fer en els components i demostra numèricament per què ara s'activarà amb llum.

Per il·luminar una maqueta disposes d'una pila de $9\ \text{V}$ i dos díodes LED idèntics ($V_F = 2\ \text{V}$, $I_F = 20\ \text{mA}$). Un company proposa connectar-los en paral·lel utilitzant una resistència independent per a cada branca, però tu sostens que posar-los en sèrie amb una única resistència comercial ($220\ \Omega$, $270\ \Omega$ o $330\ \Omega$) és millor opció. Dissenya el circuit en sèrie triant la resistència comercial adequada per protegir els LED sense sobrepassar el seu corrent màxim. Després, calcula la potència total subministrada per la pila en tots dos muntatges (sèrie i paral·lel) i justifica matemàticament quin dels dos dissenys proporciona més autonomia a la bateria.

Al taller heu muntat un indicador connectant un LED vermell ($2\ \text{V}$, $20\ \text{mA}$) a una font d'alimentació de $12\ \text{V}$ mitjançant una resistència de $470\ \Omega$ de $0{,}125\ \text{W}$ ($1/8\ \text{W}$). Al cap d'uns minuts notes olor de cremat i la resistència crema al tacte. Demostra mitjançant càlculs si la resistència triada és adequada per dissipar la potència tèrmica generada en el muntatge, explica la causa física del sobreescalfament i determina les característiques comercials mínimes (valor òhmic i potència nominal) que ha de tenir la nova resistència per funcionar amb total seguretat.

Un company ha muntat en una protoboard un circuit amb una pila de $9\ \text{V}$, una resistència de $470\ \Omega$ i un LED, però el LED no s'encén. Per localitzar l'avaria sense desmuntar components, utilitzes un polímetre i obtens les següents mesures:

• Tensió entre els borns de la pila: $9{,}1\ \text{V}$.

• Tensió entre els extrems de la resistència: $0\ \text{V}$.

• Tensió entre l'ànode i el càtode del LED: $9{,}1\ \text{V}$.

Interpreta què indiquen aquestes lectures sobre el corrent que circula pel circuit, dedueix raonadament quin és el component o error de connexió culpable de l'avaria, i explica per què un principiant podria equivocar-se en interpretar erròniament que la resistència està trencada en circuit obert.

En un circuit temporitzador per a la llum d'una escala, s'utilitza la descàrrega d'un condensador de $100\ \mu\text{F}$ a través d'una resistència connectada a la base d'un transistor NPN per mantenir un relé activat durant uns segons després de prémer un polsador normalment obert.

1. a) En provar el muntatge, la llum s'encén en prémer, però s'apaga immediatament així que es deixa anar el polsador, sense cap retard. Planteja dues avaries físiques diferents en els components que provoquin exactament aquest símptoma, justificant què li passa al corrent o a la càrrega elèctrica en cada cas.
2. b) Si el circuit funcionés correctament però el temps de llum encesa resultés insuficient per pujar l'escala, justifica quines dues modificacions independents podries fer al circuit per duplicar el temps de retard.

Vols dissenyar una alarma antirobatori per a una motxilla escolar utilitzant una pila de $9\ \text{V}$, un brunzidor i un microinterruptor de palanca amb tres terminals: Comú (C), Normalment Obert (NO) i Normalment Tancat (NC). La cremallera, en estar totalment tancada, pressiona físicament la palanca de l'interruptor.

1. a) Dissenya el circuit indicant les connexions exactes entre els terminals de la pila, el brunzidor i els borns del commutador (C, NO, NC) perquè el brunzidor soni únicament quan s'obri la cremallera.
2. b) Un company proposa utilitzar l'opció contrària: afegir un transistor i mantenir un circuit tancat mentre la cremallera està tancada. Justifica per què el teu disseny directe amb el contacte adequat és infinitament més eficient per prolongar la vida útil de la pila de la motxilla.

Has simulat per ordinador un circuit divisor de tensió amb una pila ideal de $9\ \text{V}$ i dues resistències idèntiques de $10\ \text{k}\Omega$, obtenint al punt mitjà exactament $4{,}50\ \text{V}$. No obstant això, en muntar el circuit real a la protoboard i mesurar amb un polímetre digital, obtens $4{,}18\ \text{V}$ al punt mitjà i $8{,}60\ \text{V}$ entre els borns de la pila.

1. a) Justifica a què es deu la diferència de tensió de la pila real respecte a la del simulador i calcula el valor teòric que hauria de tenir el punt mitjà amb aquests $8{,}60\ \text{V}$ si les resistències fossin idèntiques.
2. b) Atès que la mesura real ($4{,}18\ \text{V}$) no coincideix amb la meitat exacta de $8{,}60\ \text{V}$, determina quina característica real de les resistències de pel·lícula de carbó explica aquesta desviació i dedueix quina de les dues resistències (la connectada a positiu o la connectada a massa) té un valor òhmic real més gran.