Circuitos electrónicos sencillos

Explica qué es una placa protoboard, por qué no necesita soldadura y cómo están conectados sus agujeros por dentro: qué diferencia hay entre los raíles laterales (largas tiras horizontales) y las tiras cortas verticales de la zona central.

La figura muestra una placa protoboard con sus raíles de alimentación en la parte superior y sus tiras de contactos de cinco agujeros, separadas por un canal central. Hay dos zonas marcadas: una en verde y otra con un signo de interrogación.

La zona verde marca una tira de cinco agujeros unidos por dentro en vertical. La zona naranja con ? abarca los dos últimos agujeros de una tira superior y los dos primeros de la tira inferior de la misma columna, y cruza el canal central de la placa.

Responde:

1. a) Razona si los agujeros de la zona naranja están unidos o separados entre sí a través del canal.

1. b) Explica para qué existe ese canal central.

1. c) Explica cómo deben colocarse los componentes respecto al canal para no unir patillas que no deben tocarse.

Un LED nunca se conecta a una pila «a pelo»; siempre se coloca una resistencia en serie con él. Explica qué función cumple esa resistencia de protección en el circuito y qué les ocurre al LED y a la pila si se monta sin ella.

Pista. Piensa en qué ocurre con la intensidad de la corriente cuando el LED, que apenas ofrece resistencia al paso de la corriente, queda conectado directamente a los bornes de la pila.

Un LED necesita $2\ \text{V}$ y $20\ \text{mA}$ y va a conectarse a una pila de $9\ \text{V}$. Calcula la resistencia de protección paso a paso: la resistencia debe quedarse la tensión que sobra, $9 - 2 = 7\ \text{V}$, y por ella pasa la misma corriente que por el LED. Aplica la ley de Ohm y comenta qué valor normalizado elegirías ($330\ \Omega$ o $390\ \Omega$).

Calcula la resistencia de protección para una linterna con pila de $4.5\ \text{V}$ y un LED de $1.8\ \text{V}$ y $15\ \text{mA}$. Muestra los tres pasos (tensión en la resistencia, aplicación de la ley de Ohm, valor en ohmios).

Ordena los pasos para montar un LED con su resistencia en la protoboard y explica el motivo del segundo: (a) colocar el LED respetando su polaridad; (b) calcular el valor de la resistencia; (c) conectar la resistencia en serie; (d) alimentar con la pila y comprobar.

Explica la diferencia entre el esquema de un circuito (dibujo con símbolos) y la foto de un montaje real, y razona por qué el mismo esquema puede montarse de muchas formas distintas sobre la protoboard sin cambiar el circuito.

Describe cómo llevarías el esquema de un LED con resistencia a la protoboard, paso a paso: a qué raíl va el positivo de la pila, en qué tiras colocas cada patilla del LED y de la resistencia, y cómo compruebas que ninguna patilla comparte tira por error.

Los simuladores de circuitos permiten montar en pantalla un circuito antes de tocar un solo componente físico. Cita dos ventajas de usar un simulador frente al montaje real y una limitación del simulador frente al montaje real. Después, explica por qué aun así conviene simular primero.

Explica con tus palabras qué hace la LDR en un montaje de «luz que se enciende de noche»: cómo cambia su resistencia al oscurecer y por qué ese cambio puede gobernar un transistor que enciende el LED.

Explica qué significa que un relé es un «interruptor automático»: quién lo acciona en lugar de un dedo, y describe un ejemplo cotidiano donde un relé permita que una señal pequeña encienda algo potente.

La figura muestra un detector de oscuridad: cuando falta luz, el LED se enciende.

El componente tapado del divisor es el que cambia su valor con la luz. Identifícalo, explica qué le ocurre a su resistencia al anochecer (aumenta mucho) y cómo ese cambio hace que por la base del transistor llegue corriente suficiente para encender el LED.

La luz de cortesía del auto no se apaga de golpe al cerrar la puerta: tarda unos segundos en apagarse. Explica cualitativamente cómo lo consigue un condensador (se carga mientras la puerta está cerrada y mantiene el paso de corriente al transistor un rato) y qué cambiaría con un condensador mayor.

Interpreta este esquema: una pila, un interruptor, una NTC y un zumbador en serie. Predice qué ocurre al cerrar el interruptor en un día caluroso y en uno frío (la NTC cambia su resistencia con la temperatura), y explica qué aplicación doméstica se te ocurre para ese montaje.

Has montado un interruptor crepuscular con un transistor NPN cuyo divisor de tensión en la base está formado por una LDR (conectada a $+9\ \text{V}$) y una resistencia fija de $10\ \text{k}\Omega$ conectada a masa. El circuito activa una luz cuando la tensión en la base cae por debajo de $0.7\ \text{V}$. Al probarlo en un pasillo, observas que la luz solo se enciende cuando la oscuridad es total (la LDR alcanza $120\ \text{k}\Omega$), pero necesitas que se active ya en penumbra (cuando la LDR ronda los $40\ \text{k}\Omega$). Justifica con cálculos por qué el circuito actual no se enciende en penumbra y diseña una modificación sustituyendo la resistencia fija por un potenciómetro: calcula qué valor exacto de resistencia debe tener el potenciómetro para conseguir el encendido justo a los $40\ \text{k}\Omega$ de la LDR.

En el taller dispones de un circuito de control con un transistor NPN que activa un relé cuando la tensión de base $V_B \ge 0.7\ \text{V}$. La base está conectada al punto intermedio de un divisor de tensión formado por una resistencia fija $R = 10\ \text{k}\Omega$ y una LDR conectadas a una alimentación de $4.5\ \text{V}$. Mides la resistencia de la LDR: a plena luz vale $1\ \text{k}\Omega$ y en oscuridad vale $100\ \text{k}\Omega$.

1. a) Calcula la tensión de base $V_B$ en condiciones de luz y de oscuridad si la LDR está conectada entre la base y masa (resistencia fija conectada a $+4.5\ \text{V}$). Determina razonadamente si el circuito funciona como detector de luz o de oscuridad.
2. b) Si necesitas reconvertir el circuito para que funcione exactamente al revés (para encender una alarma si alguien enciende la luz de una habitación a oscuras), deduce qué cambio físico debes realizar en los componentes y demuestra numéricamente por qué ahora se activará con luz.

Quieres diseñar una alarma antirrobo para una mochila escolar usando una pila de $9\ \text{V}$, un zumbador y un microinterruptor de palanca con tres terminales: Común (C), Normalmente Abierto (NA) y Normalmente Cerrado (NC). La cremallera, al estar totalmente cerrada, presiona físicamente la palanca del interruptor.

1. a) Diseña el circuito indicando las conexiones exactas entre los terminales de la pila, el zumbador y los bornes del conmutador (C, NA, NC) para que el zumbador suene únicamente cuando se abra la cremallera.
2. b) Un compañero propone usar la opción contraria: añadir un transistor y mantener un circuito cerrado mientras la cremallera está cerrada. Justifica por qué tu diseño directo con el contacto adecuado es infinitamente más eficiente para prolongar la vida útil de la pila de la mochila.

La figura muestra el circuito de un LED con su resistencia de protección, cuyo valor falta.

La pila es de $6\ \text{V}$ y el LED necesita $2\ \text{V}$ y $20\ \text{mA}$. Calcula el valor que debe tener la resistencia, explica qué tensión soporta y qué intensidad la atraviesa, y elige entre los valores normalizados $180\ \Omega$ y $220\ \Omega$ razonando cuál protege mejor.

Has montado un circuito con una pila de $6\ \text{V}$, un LED y una resistencia en serie. El LED tiene una tensión de funcionamiento de $2\ \text{V}$, una corriente recomendada de $20\ \text{mA}$ y una corriente máxima admisible de $30\ \text{mA}$. Has calculado una resistencia de protección de $200\ \Omega$, pero decides probar con otros valores.

Razona con la ley de Ohm, calculando la corriente en cada caso (recuerda que la tensión en la resistencia es $6\ \text{V}-2\ \text{V}=4\ \text{V}$):

1. a) ¿Qué pasa con la corriente y con el brillo del LED si pones una resistencia del doble de valor?

1. b) ¿Qué pasa si pones una resistencia de la mitad? ¿Se supera la corriente máxima del LED?

1. c) ¿Cuál de las dos probarías primero? Justifica tu respuesta.

Para iluminar una maqueta dispones de una pila de $9\ \text{V}$ y dos diodos LED idénticos ($V_F = 2\ \text{V}$, $I_F = 20\ \text{mA}$). Un compañero propone conectarlos en paralelo usando una resistencia independiente para cada rama, pero tú sostienes que ponerlos en serie con una única resistencia comercial ($220\ \Omega$, $270\ \Omega$ o $330\ \Omega$) es mejor opción. Diseña el circuito en serie eligiendo la resistencia comercial adecuada para proteger los LED sin sobrepasar su corriente máxima. Después, calcula la potencia total suministrada por la pila en ambos montajes (serie y paralelo) y justifica matemáticamente cuál de los dos diseños proporciona mayor autonomía a la batería.

En el taller habéis montado un indicador conectando un LED rojo ($2\ \text{V}$, $20\ \text{mA}$) a una fuente de alimentación de $12\ \text{V}$ mediante una resistencia de $470\ \Omega$ de $0.125\ \text{W}$ ($1/8\ \text{W}$). Al cabo de unos minutos notas olor a quemado y la resistencia quema al tacto. Demuestra mediante cálculos si la resistencia elegida es adecuada para disipar la potencia térmica generada en el montaje, explica la causa física del sobrecalentamiento y determina las características comerciales mínimas (valor óhmico y potencia nominal) que debe tener la nueva resistencia para funcionar con total seguridad.

Un compañero ha montado en una protoboard un circuito con una pila de $9\ \text{V}$, una resistencia de $470\ \Omega$ y un LED, pero el LED no se enciende. Para localizar la avería sin desmontar componentes, utilizas un polímetro y obtienes las siguientes medidas:

• Tensión entre los bornes de la pila: $9.1\ \text{V}$.

• Tensión entre los extremos de la resistencia: $0\ \text{V}$.

• Tensión entre el ánodo y el cátodo del LED: $9.1\ \text{V}$.

Interpreta qué indican estas lecturas sobre la corriente que circula por el circuito, deduce razonadamente cuál es el componente o fallo de conexión culpable de la avería, y explica por qué un principiante podría equivocarse al interpretar erróneamente que la resistencia está rota en circuito abierto.

En un circuito temporizador para la luz de una escalera, se utiliza la descarga de un condensador de $100\ \mu\text{F}$ a través de una resistencia conectada a la base de un transistor NPN para mantener un relé activado durante unos segundos tras pulsar un pulsador normalmente abierto.

1. a) Al probar el montaje, la luz se enciende al pulsar, pero se apaga inmediatamente en cuanto se suelta el pulsador, sin ningún retardo. Plantea dos averías físicas distintas en los componentes que provoquen exactamente este síntoma, justificando qué le ocurre a la corriente o a la carga eléctrica en cada caso.
2. b) Si el circuito funcionase correctamente pero el tiempo de luz encendida resultara insuficiente para subir la escalera, justifica qué dos modificaciones independientes podrías hacer en el circuito para duplicar el tiempo de retardo.

Has simulado por ordenador un circuito divisor de tensión con una pila ideal de $9\ \text{V}$ y dos resistencias idénticas de $10\ \text{k}\Omega$, obteniendo en el punto medio exactamente $4.50\ \text{V}$. Sin embargo, al montar el circuito real en la protoboard y medir con un polímetro digital, obtienes $4.18\ \text{V}$ en el punto medio y $8.60\ \text{V}$ entre los bornes de la pila.

1. a) Justifica a qué se debe la diferencia de tensión de la pila real respecto a la del simulador y calcula el valor teórico que debería tener el punto medio con esos $8.60\ \text{V}$ si las resistencias fueran idénticas.
2. b) Dado que la medida real ($4.18\ \text{V}$) no coincide con la mitad exacta de $8.60\ \text{V}$, determina qué característica real de las resistencias de película de carbón explica esta desviación y deduce cuál de las dos resistencias (la conectada a positivo o la conectada a masa) tiene un valor óhmico real mayor.