Ejercicios: Los componentes electrónicos

La figura muestra los símbolos de seis componentes electrónicos básicos con su nombre, salvo uno que está tapado.

El componente tapado es una resistencia cuyo valor depende de la luz que recibe; fíjate en las flechas que llegan al símbolo. Nómbralo, explica qué ocurre con su valor cuando hay mucha luz y pon un ejemplo de aparato que lo use.

Explica para qué sirve una resistencia fija en un circuito y razona qué le ocurre al brillo de un LED si, manteniendo la misma pila, cambias la resistencia por otra de valor mayor.

Las resistencias no llevan su valor impreso con números, sino con bandas de colores. Explica qué es el código de colores, por qué se usa en lugar de números y qué indican las tres primeras bandas.

Reto del tema. Relaciona cada componente electrónico con su función en un circuito y justifica una de tus elecciones.

Componentes:

1. a) Condensador

1. b) Diodo

1. c) Relé

1. d) Transistor

Funciones (en desorden):

1. Interruptor controlado por una corriente muy pequeña que, además, puede amplificarla.

2. Deja pasar la corriente en un solo sentido y la bloquea en el contrario.

3. Interruptor que se acciona mediante un electroimán, es decir, con otra corriente independiente de la que conmuta.

4. Almacena carga eléctrica y la devuelve al circuito más tarde.

Qué debes hacer:

Escribe las parejas con el formato a) → número, b) → número, c) → número y d) → número. Después elige una de ellas y explica con tus palabras por qué esa función corresponde a ese componente, indicando un ejemplo de uso cotidiano.

Se valorará:

• Que las cuatro parejas sean correctas.

• Que la justificación de la pareja elegida sea clara y razonada.

• Que incluyas un ejemplo de aplicación real.

Pista. Fíjate en las palabras clave: «un solo sentido», «almacena», «electroimán» y «corriente pequeña». El relé y el transistor se parecen, pero el relé usa un electroimán y el transistor es un componente semiconductor sin partes móviles.

Explica qué es un potenciómetro y nombra dos aparatos cotidianos donde se use, indicando qué se ajusta en cada caso.

Pista. Piensa en qué ocurre con la resistencia eléctrica cuando giras o deslizas el mando del componente.

La LDR y la NTC son resistencias variables, pero automáticas: su valor no se cambia a mano, sino que depende de una magnitud del entorno.

1. a) Explica qué magnitud física hace cambiar el valor de la LDR y qué magnitud hace cambiar el valor de la NTC.

1. b) Indica cómo varía la resistencia de cada una al aumentar esa magnitud.

1. c) Pon un ejemplo de uso cotidiano para cada una de ellas.

El LED, como todo diodo, tiene polaridad. Explica qué ocurre si lo conectas al revés en un circuito, cómo se distingue su patilla positiva de la negativa y por qué conviene comprobarlo antes de montar.

Di si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifica cada respuesta: (a) el diodo conduce la corriente en los dos sentidos; (b) el condensador guarda energía en forma de carga; (c) el relé permite que un circuito de poca potencia controle otro de mucha; (d) el transistor solo sirve para amplificar sonido.

Explica el método del código de colores con un ejemplo resuelto por ti: una resistencia con bandas marrón, negra y roja. Las dos primeras bandas son cifras (marrón $= 1$, negro $= 0$) y la tercera es el multiplicador (rojo $= \times 100$). Calcula su valor en ohmios y exprésalo en kiloohmios.

Calcula el valor de una resistencia con bandas roja, roja y marrón (rojo $= 2$, multiplicador marrón $= \times 10$), explicando cada paso, y después indica qué bandas tendría una resistencia de $560\ \Omega$ usando la tabla: negro 0, marrón 1, rojo 2, naranja 3, amarillo 4, verde 5, azul 6, violeta 7, gris 8, blanco 9.

La figura muestra una resistencia real con sus cuatro bandas de color.

Las bandas son roja, violeta, naranja y plateada. Lee su valor con el código: las dos primeras bandas son cifras (rojo $= 2$, violeta $= 7$), la tercera es el multiplicador (naranja $= \times 1,000$) y la cuarta la tolerancia (plata $= \pm 10\ \%$). Calcula el valor nominal en ohmios y en kiloohmios, y el rango real en el que puede estar la resistencia.

Haz el camino inverso del código: escribe las cuatro bandas (dos cifras, multiplicador y tolerancia dorada del $\pm 5\ \%$) de una resistencia de $4.7\ \text{k}\Omega$, explicando cómo descompones el valor $47 \times 100\ \Omega$.

Una resistencia de $100\ \Omega$ tiene tolerancia dorada del $\pm 5\ \%$. Calcula entre qué valores reales puede estar, explica qué significa la tolerancia para quien fabrica y razona si ese margen importa mucho en un LED de una linterna o en el reloj de un aparato preciso.

La figura muestra un transistor trabajando como interruptor: una corriente pequeña llega por una terminal y controla otra mucho mayor que alimenta un LED.

La terminal tapada es la de control, la que decide si el transistor deja pasar o no la corriente entre las otras dos. Nómbrala (la base), explica el símil de la llave que controla un caudal grande con un giro pequeño y por qué se dice que el transistor trabaja como interruptor.

Explica la carga y descarga de un condensador con el símil de un depósito que se llena y se vacía, y razona cualitativamente por qué sirve para fabricar retardos: qué le pasa al brillo de un LED conectado a un condensador que se va descargando.

Los faros de un auto consumen mucha corriente y se encienden desde un interruptor pequeño en el tablero. Explica cómo resuelve el relevador ese problema (el interruptor activa una bobina que cierra otro circuito potente), qué dos circuitos quedan separados y qué ventaja de seguridad aporta esa separación.

En el cajón del taller hay resistencias de $220\ \Omega$, $470\ \Omega$, $1\ \text{k}\Omega$, $4.7\ \text{k}\Omega$ y $10\ \text{k}\Omega$. Elige una para cada caso y justifícala: (a) proteger un LED de $20\ \text{mA}$ con una pila de $6\ \text{V}$; (b) un divisor de tensión con una LDR que necesita valores parecidos a los de la propia LDR con luz media.

En el taller necesitas una resistencia para un circuito de precisión que exige un valor comprendido entre $4500\ \Omega$ y $4900\ \Omega$. Encuentras en un cajón una resistencia con las siguientes bandas de colores: amarillo, violeta, rojo y dorado.

1. a) Determina su valor nominal y calcula el rango real de resistencia (valores mínimo y máximo) que puede tener debido a su tolerancia (dorado: $\pm 5\ \%$).
2. b) Justifica razonadamente si puedes utilizarla con total seguridad en el circuito o si existe riesgo de que quede fuera del intervalo exigido.
3. c) Al medirla con el multímetro digital, la pantalla marca $4.48\ \text{k}\Omega$. ¿Está defectuosa la resistencia o entra dentro de la tolerancia garantizada por el fabricante? Razona tu respuesta con los cálculos necesarios.

Un estudiante quiere regular el brillo de un LED rojo ($V_{\text{LED}} = 2\ \text{V}$, $I_{\text{máx}} = 20\ \text{mA}$) conectado a una pila de $9\ \text{V}$, y decide conectar en serie únicamente la pila, el LED y un potenciómetro de $0$ a $1\ \text{k}\Omega$.

1. a) Predice qué le ocurrirá al LED si se gira el mando del potenciómetro hasta el tope de mínima resistencia ($0\ \Omega$). Justifícalo calculando la corriente que circularía según la ley de Ohm.
2. b) Rediseña el circuito añadiendo una resistencia fija de protección en serie. Calcula el valor óhmico mínimo que debe tener dicha resistencia para que la corriente nunca supere los $20\ \text{mA}$ admisibles por el LED.
3. c) Con esa resistencia fija calculada, determina cuál será la corriente mínima (brillo más tenue) cuando el potenciómetro se sitúe en su valor máximo ($1\ \text{k}\Omega$).

Quieres construir un avisador de heladas para un invernadero que encienda un LED de alarma cuando la temperatura descienda hasta los $0\ ^\circ\text{C}$. Dispones de una pila de $9\ \text{V}$, un transistor NPN (que comienza a conducir cuando la tensión base-emisor $V_{\text{BE}}$ alcanza $0.7\ \text{V}$), una resistencia fija $R_1$, un LED con su resistencia de protección y un termistor NTC cuya resistencia es de $2\ \text{k}\Omega$ a $25\ ^\circ\text{C}$ y de $10\ \text{k}\Omega$ a $0\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Para que el transistor se active al descender la temperatura, ¿debes colocar la NTC en la rama superior del divisor de tensión (conectada a $+9\ \text{V}$) o en la rama inferior (conectada a masa/$0\ \text{V}$)? Justifica tu respuesta analizando cómo varía la tensión en la base al enfriarse el sensor.
2. b) Si se monta la NTC en la posición correcta junto con una resistencia fija $R_1 = 1\ \text{k}\Omega$, calcula la tensión en la base tanto a $25\ ^\circ\text{C}$ como a $0\ ^\circ\text{C}$. Predice razonadamente si el LED estará encendido o apagado en cada una de esas dos temperaturas.

Un equipo de robótica escolar debe elegir el componente adecuado para actuar como interruptor en tres partes distintas de un prototipo:

1. Conectar y desconectar un motor de corriente continua de $230\ \text{V}$ y alta potencia mediante una señal digital de control de $5\ \text{V}$ emitida por un microcontrolador.

2. Hacer parpadear una tira de LED a una frecuencia muy alta ($500\ \text{Hz}$) mediante pulsos de control de baja tensión, sin que se produzca ningún ruido acústico ni desgaste mecánico.

3. Instalar un pulsador de parada de emergencia que un operario humano pueda accionar para cortar físicamente la alimentación general ante un peligro.

Para cada caso, selecciona la mejor opción entre un interruptor manual, un relé electromecánico y un transistor NPN. Justifica cada elección analizando ventajas e inconvenientes respecto a la velocidad de conmutación, el desgaste mecánico y el aislamiento galvánico (separación mando-potencia).

Un compañero afirma: «Un LED rojo de $2\ \text{V}$ y $20\ \text{mA}$ conectado a una pila de $9\ \text{V}$ no necesita resistencia de protección porque, según la ley de Ohm, el LED solo absorberá los $20\ \text{mA}$ que necesita y no se quemará».

1. a) Rebate su afirmación explicando qué ocurre realmente con la resistencia interna de un diodo polarizado en directo y predice qué le sucederá al LED si se conecta directamente a la pila sin limitar la corriente.
2. b) Calcula el valor exacto de la resistencia que debes conectar en serie con el LED para que funcione en su punto nominal ($2\ \text{V}$ y $20\ \text{mA}$).
3. c) Calcula la potencia en vatios que disipará dicha resistencia en funcionamiento normal y justifica si sería adecuado utilizar una resistencia estándar de $1/4\ \text{W}$ ($0.25\ \text{W}$) o si se requeriría una de $1/2\ \text{W}$ ($0.5\ \text{W}$).

El destello de la lámpara de flash de una cámara fotográfica requiere una potencia instantánea de $1200\ \text{W}$ durante un pulso de apenas $1\ \text{ms}$ ($0.001\ \text{s}$). Sin embargo, la cámara se alimenta con dos pilas que solo pueden entregar de forma continua una potencia máxima de $3\ \text{W}$.

1. a) Calcula la energía en julios ($E = P \times t$) consumida durante un destello y demuestra por qué es físicamente imposible encender el flash conectándolo directamente a las pilas.
2. b) Explica cómo soluciona el condensador este problema analizando el proceso de carga y descarga: ¿por qué la cámara necesita esperar unos segundos antes de permitir una nueva foto?
3. c) Si se sustituye el condensador original por otro con el doble de capacidad ($2C$), predice y justifica razonadamente qué ocurrirá con el tiempo de recarga entre fotos y con la energía disponible para el destello.

En un proyecto debes diseñar el control automático de iluminación para la maqueta del portal de un garaje:

• Al pulsar brevemente un interruptor de pared (señal de mando a $5\ \text{V}$), una bombilla de alta potencia ($230\ \text{V}$) debe encenderse inmediatamente.

• Tras soltar el pulsador, la bombilla debe permanecer encendida durante $10$ segundos antes de apagarse de forma automática.

• Por seguridad, el circuito de mando de baja tensión ($5\ \text{V}$) debe estar completamente aislado galvánicamente del circuito de potencia de $230\ \text{V}$.

Dispones de: resistencia fija, condensador, transistor NPN, relé electromecánico y diodo.

1. a) Diseña la solución seleccionando cuatro de estos componentes y explica qué función cumple cada uno de ellos para lograr la temporización y el control seguro.
2. b) Justifica técnicamente por qué es imprescindible emplear el relé como actuador final sobre la bombilla y por qué no sería adecuado sustituirlo por el transistor.