Exercicis: Els components electrònics

Sobre una placa de circuit s'observen cinc components electrònics numerats de l'1 al 5:

1. Un petit cilindre amb franges de colors.

2. Un cilindre amb dues patilles i una franja lateral que indica el pol negatiu.

3. Un component transparent amb dues patilles que emet llum al pas del corrent.

4. Un component amb tres patilles i cos de plàstic negre.

5. Un encapsulat rectangular negre amb dues files paral·leles de patilles metàl·liques.

Identifica cada element i explica breument quina funció compleix dins d'un circuit.

Explica quina funció fa una resistència i quina funció fa un LED en un circuit, i raona per què un LED gairebé mai no es connecta sol, sinó amb una resistència en sèrie.

La figura mostra els símbols de diversos components electrònics. Anomena els tres que estan marcats amb ? i indica quina funció fa cadascun en un circuit.

Relaciona cada component amb la seva funció: pila, interruptor, brunzidor, motor i fotorresistència (LDR). Funcions: donar energia al circuit, deixar passar o no el corrent, convertir electricitat en so, convertir electricitat en moviment i canviar la seva resistència segons la llum.

Explica què és la polaritat en una pila i en un LED. Què passa si un LED es connecta al revés en un circuit?

Dibuixa al teu quadern (o descriu aquí) el símbol d'una pila, un interruptor i una bombeta, i munta amb ells el circuit més senzill que encengui la bombeta només quan es tanqui l'interruptor.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Explica què és un curtcircuit i per què és perillós connectar els dos pols d'una pila directament amb un cable.

Anomena tres components electrònics que hi hagi a casa teva (pots pensar en joguines, comandaments o electrodomèstics), digues en quin aparell estan i quina funció creus que fan.

Ordena aquests elements de menor a major oposició al pas del corrent i justifica l'ordre: un cable de coure, una resistència de $1\ \text{k}\Omega$ i un interruptor obert.

Un condensador pot emmagatzemar càrrega elèctrica i alliberar-la després a poc a poc. Explica, amb l'exemple del flaix d'una càmera o d'un llum que s'apaga a poc a poc, per a què serveix aquesta propietat.

Es diu que el transistor funciona com un interruptor controlat per corrent. Explica aquesta idea amb l'exemple d'un circuit que encén un LED quan es fa fosc: un sensor de llum (LDR) governa la base del transistor.

Un LED vermell i un de blau no funcionen amb la mateixa tensió. Explica per què això és important a l'hora de dissenyar el circuit i què pot passar si tots dos s'alimenten amb la mateixa resistència calculada només per a un d'ells.

Explica la diferència entre un polsador (només fa contacte mentre es prem) i un interruptor (es queda a la seva posició), i posa un ús adequat per a cadascun a l'aula o a casa.

Una LDR té molta resistència quan hi ha poca llum i poca resistència quan n'hi ha molta. Raona com usar-la perquè un circuit «sàpiga» si és de dia o de nit, indicant què passaria amb el corrent en cada cas.

El brunzidor d'un muntatge pita molt fluix. Dóna dues explicacions possibles relacionades amb els components (pila gairebé esgotada, resistència en sèrie massa gran, polaritat al revés) i com comprovaries cadascuna.

Explica què és un potenciòmetre i com permet regular el volum d'un altaveu o la brillantor d'un llum sense canviar cap component del circuit.

Per aconseguir que la llum interior d'un cotxe romangui encesa uns segons després de tancar la porta (obrir el contacte), una persona connecta directament en paral·lel amb una bombeta de $12\ \text{V}$ i $6\ \text{W}$ un condensador de $2200\ \mu\text{F}$. En provar-ho, comprova que la bombeta s'apaga de manera pràcticament instantània.

1) Justifica mitjançant el càlcul de la resistència de la bombeta i de la constant de temps $\tau = R \cdot C$ per què falla el seu muntatge.

2) Proposa i descriu una modificació del circuit emprant un transistor NPN i una resistència addicional, justificant tècnicament com aquesta nova configuració sí que permet perllongar l'encesa durant diversos segons amb aquest mateix condensador.

Disposes d'una pila de $9\ \text{V}$ i de dos díodes LED idèntics les especificacions tècniques dels quals són: tensió directa $V_F = 2,2\ \text{V}$ i corrent nominal de treball $I_F = 20\ \text{mA}$. Vols connectar-los en sèrie utilitzant una única resistència limitadora perquè funcionin a la seva intensitat nominal. Al taller tens resistències comercials de $150\ \Omega$, $220\ \Omega$, $330\ \Omega$ i $470\ \Omega$.

1) Justifica mitjançant la llei d'Ohm quina és la resistència teòrica exacta necessària i quin dels valors disponibles has de triar per garantir la màxima lluminositat sense superar el corrent de seguretat.

2) Si algú connecta per error els dos LED en sèrie amb la resistència de $150\ \Omega$, calcula el corrent que circularà i prediu les conseqüències tèrmiques i funcionals per als díodes.

Estàs muntant un circuit per a un sensor de temperatura de precisió que exigeix una resistència el valor real de la qual es trobi estrictament entre $540\ \Omega$ i $600\ \Omega$; si el valor queda fora d'aquest interval, la lectura del sensor es descalibra. Al calaix de components trobes una resistència amb les bandes de color verd - blau - marró - or.

1) Interpreta el codi de colors indicant el valor nominal de la resistència i el seu percentatge de tolerància.

2) Calcula el rang real de valors (mínim i màxim) que pot tenir aquesta resistència a la pràctica.

3) Justifica raonadament si és tècnicament segur utilitzar aquest component en el circuit o si l'hauries de substituir per una resistència de més precisió (amb banda de tolerància marró, de l'$1\ \%$), argumentant la teva decisió.

La sortida digital d'un microcontrolador escolar lliura $5\ \text{V}$ amb un límit de corrent de seguretat de només $20\ \text{mA}$. Un estudiant connecta directament a aquest pin un petit motor de corrent continu de $5\ \text{V}$ que absorbeix $250\ \text{mA}$ a plena càrrega. En activar-lo, el microcontrolador es bloqueja i s'apaga immediatament.

1) Justifica tècnicament per què no és viable alimentar el motor directament des de la sortida digital.

2) Dissenya l'etapa de commutació necessària utilitzant un transistor NPN com a interruptor (indicant com connectar base, col·lector i emissor respecte al pin digital, al motor i a l'alimentació).

3) Explica quina funció compleix la resistència de base i prediu quina catàstrofe elèctrica passaria amb el transistor en desconnectar el motor si no es col·loca un díode de retorn (flyback) en paral·lel invers amb els seus borns.

Es vol dissenyar la il·luminació temporitzada d'una escala a $12\ \text{V}$. En prémer breument qualsevol dels dos polsadors normalment oberts (un a la planta baixa i un altre a la primera), un llum de $12\ \text{V}$ s'ha d'encendre i mantenir-se il·luminat uns segons després de deixar anar el polsador.

Un instal·lador inexpert proposa connectar els dos polsadors en sèrie entre si i col·locar un condensador de gran capacitat directament en paral·lel amb el llum.

1) Rebat les dues deficiències greus de la proposta de l'instal·lador (en relació amb la lògica d'encesa dels polsadors i amb el temps de descàrrega del condensador a través del filament).

2) Dissenya i descriu detalladament el circuit correcte emprant els dos polsadors, un transistor NPN, el condensador, una resistència de polarització i el llum, justificant la funció i connexió de cada element.

En una pràctica de taller, un equip munta una font d'alimentació de corrent continu connectant un transformador i un pont rectificador de díodes, obtenint a la sortida una tensió contínua polsant amb un valor de pic de $18\ \text{V}$. Per filtrar l'arrissada connecten un condensador electrolític a la carcassa del qual es llegeix: $1000\ \mu\text{F}\ /\ 16\ \text{V}$, connectant la pota curta (marcada amb una franja longitudinal grisa) al terminal positiu de la sortida rectificada. Al cap de pocs segons d'encendre la font, el condensador comença a xiular, s'escalfa bruscament i es bomba per la part superior.

Identifica i justifica detalladament els dos errors greus comesos en el muntatge, explicant quin fenomen físic o electroquímic té lloc a l'interior del component en cada cas, i especifica quines característiques mínimes de tensió i connexió hauria de tenir el nou condensador per operar amb total seguretat.

Per protegir un equip electrònic de $12\ \text{V}$ davant d'una connexió accidental amb la polaritat invertida en connectar-lo a una bateria, es proposen dues solucions alternatives basades en díodes:

• Opció A: Col·locar un díode de silici estàndard en sèrie a la línia positiva d'alimentació.

• Opció B: Col·locar un díode en antiparal·lel (en paral·lel invers amb la càrrega) just després d'un fusible ràpid instal·lat a la línia positiva.

1) Analitza com actua el díode en cadascuna de les dues opcions, tant en funcionament normal com en cas d'invertir per error els borns de la bateria.

2) Justifica quina de les dues solucions resulta més eficient energèticament durant el funcionament normal (tenint en compte la caiguda de tensió de $0,7\ \text{V}$ del silici) i explica què li passa al circuit i al fusible en l'opció B en cas d'inversió de polaritat.

El sistema de tracció d'un cotxe teledirigit utilitza el circuit en pont en H mostrat a la figura, format per quatre transistors ($Q_1$, $Q_2$, $Q_3$ i $Q_4$), per controlar el sentit de gir d'un motor de corrent continu des d'una bateria de $6\text{ V}$.

Durant les proves, el cotxe avança cap endavant amb normalitat quan el receptor activa alhora les bases de $Q_1$ i $Q_4$. Tanmateix, en prémer la marxa enrere (que hauria d'activar $Q_2$ i $Q_3$), el motor no es mou i la bateria comença a escalfar-se de seguida. En revisar el circuit en aquesta situació, comproves que $Q_3$ s'escalfa molt, mentre que $Q_2$ i $Q_4$ romanen freds.

1. a) Explica el principi de funcionament del pont en H a partir de l'esquema, deduint el sentit en què flueix el corrent a través del motor en cada sentit de marxa (cap endavant i cap enrere).

1. b) Formula una hipòtesi justificada sobre quin transistor específic s'ha avariat (quedant curtcircuitat permanentment entre col·lector i emissor) perquè la marxa endavant funcioni amb normalitat, però la marxa enrere provoqui un curtcircuit directe a la bateria.