Electrònica Bàsica

Tecnologia 4rt d’ESO

UNITAT 1 : ELECTRÒNICA

1 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

1.INTRODUCCIÓ L’electrònica s’encarrega de l’estudi i desenvolupament de tot tipus d’aplicacions les quals el corrent elèctric travessa components semiconductors.

Un semiconductor és un material que es comporta com un aïllant a molt baixa temperatura , però que presenta certa conductivitat elèctrica a temperatura ambient essent possible de controlar aquesta conductivitat per mitjà de l'addició d'impureses.

En qualsevol circuit electrònic tenis tres tipus de dispositius: D’entrada

Interruptors Resistències Micròfons Etc

De procés

Capaços de realitzar una funció concreta de control sobre les senyals entrada/sortida : Transistots Circuits integrats Etc.

De sortida

Díodes Leds Relés Brunzidors Etc

2. Components electrònics bàsics Aquests components són : •

Les resistències : Fixes i Variables

•

Els condensadors

•

Els díodes

•

Els transistors

•

El relé

2.1. Les resistències Les resistències són components que ofereixen oposició al pas de corrent i produeixen una caiguda de potencial.

2 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Les característiques que defineixen a la resistència són: •

El VALOR NOMINAL el valor de magnitud, és a dir, els ohms

•

La TOLERÀNCIA la diferència entre el valor òhmic nominal i el valor òhmic real expressada en % . Són els límits o desviacions establerts pel fabricant.

•

La POTÈNCIA :Ens referim a la potència màxima a què pot treballar sense cremar-se . Depèn de V i I , ja que P = V· I . Es dóna en watts (W).

•

L’ESTABILITAT del component depèn de les condicions de treball .

Les resistències les dividim , segons la seva capacitat de variació òhmic en : resistències fixes i resistències variables.

2.1.1. Resistències Fixes Són aquelles que tenen sempre un mateix valor òhmic i tenen dos terminals .Aquest valor òhmic s’obté en modificar les capes de carbó ( quan més capes més oposició al pas d’electrons)

3 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Malgrat que fonamentalment existeixen dos subtipus, la carbó i les ens centre amb les resistències de carbó .

El valor òhmic de les resistències de carbó queden marcades per un codi de color.

Per calcular la resistència haurem de seguir els següents passos : Pas 1: Posem la resistència de manera que el color que està més separat quedi a la dreta .

Pas 2: El primer color correspon a una xifra , en el cas del primer exemple , tenim el color marró que correspon al número 1 .

El següent color, el verd, correspon a la xifra 5.

Tot seguit trobem el color vermell , aquest ens indicarà el nombre de zeros que hem d’afegir, dos zeros Així doncs, el valor òhmic de la resistència exemple és de 1.500 Ω, és a dir , 1,5KΩ Ω , fins aquí el valor nominal . A continuació, últim color , ens indicarà la TOLERÀNCIA que l’expressarem en % . Quan més petit sigui aquest valor més precisió, i consegüentment , més cara és la resistència .

La lectura

4 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Podeu comprovar-ho amb les següents resistències:

5 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

APLICACIÓ – Càlcul d’una resistència en sèrie amb un LED Les bateries de telèfon mòbil treballen a 3,5V . El problema és que el LED no treballa a 3,5V, sinó que treballa a 2,5V .

Per baixar aquest voltatge connectarem una resistència en sèrie al LED .

LED groc de 2,5 V i 10 mA, i bateria de 3,6 V. Com ja sabeu, quan connectem dos elements en sèrie, el voltatge total es reparteix entre aquests dos elements,mentre que la intensitat és la mateixa per ambdós. Si el nostre voltatge total és de 3,5V, i volem que al LED hi hagi 2,5V, sabrem que haurem de connectar una resistència que requereixi 1V segons les seves característiques .

Seguidament, segons les característiques del LED, sabem que la seva intensitat és de 1mA, i com que les connexions en sèrie la intensitat és la mateixa per a tots els rendiments, per la resistència també passaran 10mA. Si sabem que la resistència que ha de funcionar amb 1V i 10mA( 0,01A) aplicant la llei d’Ohm podem saber el seu valor : V=I·R

→

R = V/I = 1/ 0,01 = 100 Ω

En resum haurem de connectar una resistència de 100Ω en sèrie amb el LED.

6 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Per MESURAR les resistències a taller utilitzarem un polímetre i connectarem la resistència amb l’aparell de la següent forma::

2.1. 2.Resistències variables Aquestes resistències tenen la capacitat de variar o modificar el seu valor òhmic dins d’un límits . Dins d’aquestes hi ha les resistències variables lineals i les resistències dependents .

7 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Resistències lineals o potenciòmetres es basen en una resistència sobre la qual llisca un contacte mòbil que, segons la posició que ocupa, pot prendre valors entre el 0 i “R”Ω : Normalment, disposa de tres terminals, el del centre és el cursor , mentre que els extrems s’alteren de forma que si es presenta un valor màxim , l’altre serà mínim respecte al terminal central.

Resistències dependents .El valor òhmic variarà en funció de paràmetres, com per exemple, llum o temperatura .

a) Resistències depenent de la llum LDR ( Light Depending Resistor) Varien la resistència segons la quantitat de llum que incideix sobre ella, és a dir, augmenta la resistència quan augmenta la foscor ( algunes poden aconseguir valors superiors als 50KΩ) i disminueix quan s’il·lumina fins aconseguir valors molt baixos ( de l’ordre de 100Ω)

8 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

b) Resistències depenent de la temperatura NTC : Resistència de coeficient negatiu de temperatura . Quan augmenta la temperatura de la mateixa , disminueix el seu valor òhmic .

S’utilitza en aplicacions en automoció : engegada de ventiladors . c) Resistències dependents de temperatura PTC ( Resistència positiva de temperatura) Quan augmenta la temperatura augmenta la resistència .

9 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO d) Resistències dependents de voltatge VDR

Quan augmenta la tensió disminueix el seu valor òhmic i consegüentment, circula més corrent pels seus extrems .

La seva aplicació, bàsicament, és protegir de les pujades de tensió en un circuit. Quan es supera la tensió de la VDR la corrent marxa per ella i protegeix el circuit .

Per finalitzar l’apartat de resistències , exposem una taula de símbols segons tipus de resistències :

10 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

2.1.3.Càlcul d’associacions de resistències Les associacions de resistències poden ser : Sèrie, paral·lel i mixta .

ASSOCIACIÓ EN SÈRIE

I1 = I2 = I3 = ITOTAL VTOTAL = V1+V2+V3

ASSOCIACIÓ EN PARAL·LEL

ITOTAL= I1 + I2 + I3 VTOTAL = V1=V2=V3

11 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

ASSOCIACIÓ MIXTA: SÈRIE + PARAL·LEL

EXERCICIS Calcula la resistència total dels casos anteriors, sabent: R2 = R4 = R6 = 2 Ω R1 = R3 = R5 = 3 Ω

12 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

2.2. El condensador Aquests dispositius estan formats per dos conductors separats per un dielèctric que són capaços d’emmagatzemar el corrent elèctric. La unitat de mesura d’aquesta capacitat, són els farads (f) .

Segons el tipus de condensador, tenen marcat el número de farads o bé es pot saber el seu valor segons un codi de colors .

13 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

2.2.1. Tipus de condensadors Hi ha diferents tipus de condensadors : ceràmics, electrolítics, de paper, de mica,variables i ajustables,...

14 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Segons si el valor de farads és fixe o no els classifiquem:

Electrolític Condensadors FIXOS NO polaritzats

Conden. VARIABLES

15 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

A) Condensadors Fixos : Tenen una capacitat fixa que va gravada en l’encapsulat o amb un codi de colors .A l’hora de connectar-lo del circuit , segons com els hem de connectar , tenim dos tipus : Electrolítics: Presenten una polaritat que cal respectar; un dels seus terminals està marcat com a pol negatiu i s’ha de connectar sempre a menys potencial que el positiu .

No polaritzats: El seu dielèctric, que pot ser ceràmic, plàstic, paper o de mica, no mostra polaritat, motiu pel qual no li cal connectar-lo d’una manera concreta .

B) Condensadors Variables : Es tan formats per plaques mòbils que es desplacen en girar un cursor, de manera que varia la superfície enfrontada de les plaques i consegüentment canvia la capacitat del condensador .

16 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

2.2.2.Funcionament d’un condensador En connectar un condensador amb una pila o generador, la placa connectada de més potencial cedeix electrons a l’altra, connectada a menys potencial.

La placa que cedeix electrons, a través d’un circuit, queda carregada amb una càrrega +q ( pol positiu), i la que els rep queda assoleix una càrrega –q( pol negatiu).En aquest moment es diu que el condensador es troba carregat. En aquest moment es diu que el condensador es troba carregat i entre les plaques del condensador existeix la mateixa diferència de potencial que entre els dos borns de la pila .

En desconnectar de la pila un condensador carregat i connectar les plaques entre elles mitjançant un circuit, els electrons que es van desplaçar en el procés continua fins que les plaques del condensador existeix una diferència de potencial nul·la . Llavors es diu que el condensador està descarregat .

El comportament dels condensadors depèn del tipus de corrent: •

En CC, el condensador permet el pas de corrent mentre s’està carregant. Un cop carregat actua com un interruptor obert .

•

En un circuit de CA, el condensador sempre ens permet el pas de corrent, ja que s’està carregant i descarregant constantment a causa dels canvis de polaritat de la tensió .

17 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO APLICACIONS DEL CONDENSADORS Els condensadors poden actuar com a Acumuladors de càrrega i alimentar circuits, però, a més , la durada coneguda dels seus processos de càrrega i descàrrega els fa imprescindibles en els circuits temporitzadors .

Per entendre l’aplicació utilitzarem un circuit amb dos leds :

En tancat el polsador A, comença a circular corrent pel circuit. El corrent creat per la pila de 4,5V circula i provoca que el díode LED vermell emeti llum i, finalment, fa que el condensador es carregui.

Si ara deixem el polsador A i tanquem el polsador B, la pila ja no genera corrent, motiu pel qual el condensador es descarrega. Els electrons tornen a la placa original i creen un corrent que provoca que el díode verd emeti llum.

18 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO A mesura que el condensador es descarrega, es redueix la intensitat del corrent de descàrrega fins que finalment el LED verd s’apaga .

Si es prova la durada de la càrrega i la descàrrega i es cronometren tos dos temps, es pot comprovar que durant el procés de càrrega el llum roman encès un temps aproximat de, i després s’apaga, i que durant el procés de descàrrega, el llum s’encén un temps aproximat de t descàrrega = 3· Rd· C .

Per exemple : •

Calcula el temps que tardarà en carregar-se un condensador de 4700µF que està en sèrie amb una resistència de 1000Ω .

•

Quan de temps donarà llum una bombeta que es connecta a un condensador una vegada carregat i si la bombeta té una resistència de 2000Ω?

19 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

3.- El diode.

El díode es un component electrònic composat d’un material semiconductor , com per exemple el silici i el germani . Aquests materials normalment són aïllants, però si apliquem un voltatge entre els extrems d’aquests materials o bé incrementem la temperatura , aleshores

comencen a conduir corrent

elèctric .

A fi de millorar les propietats dels semiconductors, se’ls sotmet a un procés d’impurificació, o dopatge, que consisteix en introduir àtoms d’altres substàncies . Segons la impuresa, els semiconductors poden ser del tipus :

Tipus P

Tipus N

Tipus P: El dopant té defecte d’electrons , o sigui, li falten cosa que crea uns “forats” que permeten als electrons a circular amb facilitat ( sol ser bor, gal·li o indi)

Tipus N: El dopant aporta electrons, que ajuden a millorar la conducció elèctrica( sol ser fòsfor, arsènic o antimoni)

20 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Si unim un tipus N i un tipus P obtenim un díode :

Ànode +

Tipus P

Càtode -

Tipus N

Barrera

Quan els dos materials s’uneixen, alguns dels electrons del material N salten als forats del material P i creen una barrera que impedeix que hi hagi més moviment d’electrons entre la zona N i la P.

Ànode +

P

Tipus P

Càtode -

Tipus N

N

P

La làmpada no il·lumina

N

La làmpada il·lumina

21 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Tipus de díodes: Díode Ordinari

Díode LED

Díode Zener

3.1. El díode Aquest díode, també anomenat rectificador, permet la conducció de corrent cap un sentit , i més concretament, quan l’ànode es connecta a un potencial més gran que el càtode i la seva diferència de potencial supera un valor determinat.

Aquest valor, que depèn del díode, sol estar entre 0,2 i 2 V.

Si el sentit de corrent o polaritat s’inverteix, el díode impedeixen el pas del corrent, motiu pel qual es poden considerar com a interruptors activats per la polaritat .

22 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

3.2. El LED ( Light Emitting Díode ) Aquest díode emet llum quan passa corrent a través d’ell . Les característiques necessàries per que emeti llum és que hi passi un voltatge de 2V i una intensitat de corrent entre 10 mA i 20 mA. No podem connectar directament a la pila si el voltatge és superior al necessari, cal que li connectem en sèrie una resistència que li servirà de protecció i per tant no el fonguem .

23 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Les aplicacions del LED són d’indicadors lluminosos, el LED s’ha de connectar en paral·lel a la resta del circuit, de manera que es connecti l’alimentació .

Cal que el LED de 2V i 10 mA, i connectem una resistència en sèrie . A continuació la calcularem : Vpila = 9 V V resistència = V pila – V LED = 9 – 2 = 7 V V LED = 2 V Rvalor = Vresistència / I = 7/ 0,010 = 700 Ω Necessitarem una resistència de valor 700 Ω

24 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Les aplicacions del díode LED són de senyalització , per exemple, quan està en marxa un aparell (ordinador)

Exemple : Senyalització de gir amb commutador doble i senyalitzat amb díodes.

Inversor de gir que senyalitza el sentit de gir d’un motor amb díodes .

Inversor de gir que senyalitza la posició d’aturada del motor amb díodes.

25 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

3.3. Díode Zener Aquest díode està dissenyat per treballar també a la inversa , és a dir, deixa passar el corrent en sentit contrari, sempre i quan el voltatge assoleixi valors superiors al valor de ruptura .

4. El transistor Els transistors estan formats per la unió de tres tipus de semiconductors ( dos tipus N i un P ; o bé dos tipus P i un tipus N)

Si col·loquen tres terminals( col·lector, base i emissor) i s’encapsulen perquè es puguin muntar en un circuit.

26 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO El seu tamany és proporcionals al corrent que pot aguantar .

Per identificar els tres terminals ho faràs gràcies als fulls informatius del fabricant o internet; o bé , mitjançant l’ús dels polímetre . Aquests tenen unes clavilles

27 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Aquestes clavilles serveixen per mesurar el guany del transistor. Per identifica els terminals, es col·loca a l’indicador de mesura de guany(hFE), s’introdueix els terminals del transistor de forma aleatòria a les clavilles E, B, C, E, i es repeteix el procés fins que es mostri un valor coherent a la pantalla ( un nombre enter superior a 1). En el cas, la base, el col·lector i l’emissor del transistor es correspon a les inicials B, C i E respectivament .

En el cas que no hi hagi les clavilles , es fa el mateix però es connecta el transistor de la següent manera :

Funcionament d’un transistor El funcionament d’un transistor pot ser com a interruptor o bé com a amplificador:

a) Funcionament com a interruptor: Perquè un transistor funcioni com a un interruptor( obert o tancat) cal que circuli corrent, o no en circuli, entre el col·lector i l’emissor. En tots dos casos , s’intercalen dues resistències per limitar el pas del corrent que circula per la base i el col·lector .

RB : Resistència de base RC: Resistència de càrrega

28 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO Segons la resistència i la intensitat , el transistor actua en tres zones

El transistor es comporta com a interruptor obert ( zona de tall) : Si RB és molt gran, IB =0 → no deixa passar el corrent entre el col·lector i l’emissor . No circula corrent per la base

El transistor es comporta com a interruptor tancat . El transistor actua en una zona activa , sempre i quan si RB disminueix , i per tant IB augmenta i permet que passi el corrent entre el col·lector i l’emissor . La IC = β ·IB

on β és el

guany de corrent i el seu valor és aproximadament de 100 .

Si anem punjant el valor de la intensitat a la base de manera progressiva, arriba un moment en què la intensitat del col·lector ja no augmenta més . El transistor treballa en una zona de saturació i aleshores el transistor es comporta com un interruptor tancat .

29 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Una Aplicació senzilla del transistor

com a interruptor seria una

ALARMA CONTRA INCENDIS :

Components del circuit: •

Una pila de 6 V

•

Un transistor NPN o BD135 suporta una intensitat de col·lector de 0,5A sense crenarse i admet pics fins 1,5A d’intensitat. o En molts casos, n’hi hauria prou amb un BC549, però amb un error qualsevol quan es col·loca el transistor, o bé una sobreintensitat al circuit( més de 0,1A) , el cremaríem . o El 2N3055 suporta intensitats més grans(15A), tot i que per als nostres objectius està sobre dimensionat i és car.

•

Una làmpada

•

Una resistència d’1KΩ

•

Un potenciòmetre

•

Una resistència NTC

A tempetarura ambient, el corrent que circula per la base del transistor és gairebé nul i el transistor està en zona de tall. Per tant, no duu corrent i la

30 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO làmpada no duu corrent i làmpada no fa llum. Actua com un interruptor obert ( circuit 1)

A mesura que la temperatura augmenta la NTC, la seva resistència disminueix.

Com a conseqüència, el corrent augmenta al circuit emissor-receptor i el transistor permet el pas del corrent com si fos un interruptor tancat : la làmpada s’il·lumina ( circuit 2)

Si observes les propietats d’un transistor, veuràs que comencen a conduir quan el voltatge entre base i emissor és d’uns 0,7V.

La pregunta què ens podem fer sobre aquest circuit és: Per a què serveix el potenciòmetre ? Si et fitxes en la bifurcació entre el potenciòmetre i la resistència d’1KΩ et pots preguntar quin camí seguirà el corrent, la resposta és ràpida el camí més fàcil, així doncs, si la resistència del potenciòmetre la situem al voltant de 0Ω, el corrent passarà pel potenciòmetre i ala base no arribarà , consegüentment no s’encendrà la làmpada i el corrent optarà per passar pel camí B ( circuit 3) 31 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Però si augmentem la resistència del potenciòmetre a valors grans , el corrent seguirà el camí A i llavors la bombeta s’encendrà . D’aquesta manera podem regular la temperatura a la qual volem que ens avisi l’alarma ( circuit 4)

b) Funcionament del transistor com un amplificador Per explicar aquest funcionament, ho farem a través d’un exemple senzill: un detector d’aigua . L’aigua és conductora d’electricitat, i aquesta propietat ens permet dissenyar un sistema que ens avisi quan un dipòsit és ple . Com a sensors podem fer servir unes sondes metàl·liques, separades entre si.

Funcionen com un interruptor obert que es tanca quan l’aigua cobreix les sondes.

L’aigua és conductora; però té una resistencia tan alta que la intensitat de corrent és insuficient per encendre la làmpada.Necessitem un dispositiu que amplifiqui el corrent.

32 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Si aquest circuit li connectem un transistor, quan l’aigua arriba a les sondes, el corrent dèbil que passa per l’aigua fins a la base del transistor.

Aleshores es produeix un efecte d’amplificador i la làmpada s’il·lumina.

5. El Relé Els

relés

són

uns

dispositius

electromecànics

de

commutació

que

complementen els transistors en aplicacions de control.

Abans d’explicar el seu funcionament cal detallar les parts que el composen.

Bàsicament es composa d’un electroimant, una armadura mòbil i uns contactes (3)

33 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Així doncs, un relé és un interruptor elèctric que permet obrir i tancar automàticament un circuit elèctric gràcies a uns contactes elèctrics que s’obren o es tanquen en funció que s’activi o no la bobina de l’electroimant .

Quan es fa circular el corrent per la bobina de l’electroimant i genera al voltant un camp magnètic, per la qual cosa l’armadura basculant és atreta basculant és atreta pel nucli de l’electroimant i els contactes canvien de posició( relé activat).

Per contra, quan el corrent cessa per la bobina, el camp magnètic desapareix i els contactes passen en estat de repòs( relé desactivat) .

34 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Per entendre més bé el funcionament, utilitzarem un exemple : Motor accionat per un relé

El seu esquema elèctric seria:

35 Cinta Prats

Tecnologia 4rt d’ESO

Existeix diferents tipus de relés:

36 Cinta Prats