UD4 Electrònica analògica › departamento › documentos › inicio › 2553.pdfIntroducció. 2....

of 18 /18
IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil - 61 - UD 4 ELECTRÒNICA ANALÒGICA. ÍNDEX: 1. Introducció. 2. Resistències. 3. Condensadors. 4. Díodes. 5. Transistors. 1- Introducció. L’electrònica s’encarrega de l’estudi i desenvolupament de tot tipus d’aplicacions en les quals el corrent elèctric travessa components semiconductors. En qualsevol sistema electrònic des del més senzill al més complex, es poden distingir tres tipus de dispositius: els d’entrada (interruptors, resistències, micròfons, etc.), els de procés o components capaços de realitzar una funció concreta de control sobre els senyals d’eixida en funció del senyal d’entrada rebut (transistors, circuits integrats, etc.) i els d’eixida (díodes, leds, relés, brunzidors, etc.) 2- Resistències. Les resistències són components que ofereixen certa oposició al pas o circulació del corrent elèctric i produeixen una caiguda de tensió o diferència de potencial entre els terminals. Una resistència té les següents característiques importants que defineixen les seves condicions de treball i d’utilització: El valor nominal: la magnitud òhmica ( mesurada en ohms, ) La tolerància: és la diferència entre el valor nominal i el valor real de la resistència expressada en percentatges. Són els límits o desviacions establerts pel fabricant per a assegurar la seva precisió. La potència màxima què pot treballar sense cremar-se. Depèn de la tensió i la intensitat del corrent que hi circula. S’expressa en watts. L’estabilitat del component en condicions de treball. El tipus de resistències més utilitzades són: les fixes i les variables. 2.1 Resistències fixes. Les resistències fixes són aquelles que tenen sempre el mateix valor i tenen dos terminals. El valor òhmic d’aquestes resistències s’obté en modificar les capes de carbó segons una espiral que obliga el corrent elèctric a seguir un camí més o menys llarg.

Embed Size (px)

Transcript of UD4 Electrònica analògica › departamento › documentos › inicio › 2553.pdfIntroducció. 2....

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 61 -

    UD 4 ELECTRÒNICA ANALÒGICA. ÍNDEX: 1. Introducció. 2. Resistències. 3. Condensadors. 4. Díodes. 5. Transistors.

    1- Introducció.

    L’electrònica s’encarrega de l’estudi i desenvolupament de tot tipus

    d’aplicacions en les quals el corrent elèctric travessa components semiconductors. En qualsevol sistema electrònic des del més senzill al més complex, es poden

    distingir tres tipus de dispositius: els d’entrada (interruptors, resistències, micròfons, etc.), els de procés o components capaços de realitzar una funció concreta de control sobre els senyals d’eixida en funció del senyal d’entrada rebut (transistors, circuits integrats, etc.) i els d’eixida (díodes, leds, relés, brunzidors, etc.)

    2- Resistències.

    Les resistències són components que ofereixen certa oposició al pas o

    circulació del corrent elèctric i produeixen una caiguda de tensió o diferència de potencial entre els terminals.

    Una resistència té les següents característiques importants que defineixen les seves condicions de treball i d’utilització:

    • El valor nominal: la magnitud òhmica ( mesurada en ohms, Ω) • La tolerància: és la diferència entre el valor nominal i el valor real de la

    resistència expressada en percentatges. Són els límits o desviacions establerts pel fabricant per a assegurar la seva precisió.

    • La potència màxima què pot treballar sense cremar-se. Depèn de la tensió i la intensitat del corrent que hi circula. S’expressa en watts.

    • L’ estabilitat del component en condicions de treball. El tipus de resistències més utilitzades són: les fixes i les variables. 2.1 Resistències fixes. Les resistències fixes són aquelles que tenen sempre el mateix valor i tenen

    dos terminals. El valor òhmic d’aquestes resistències s’obté en modificar les capes de carbó segons una espiral que obliga el corrent elèctric a seguir un camí més o menys llarg.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 62 -

    2.2 Resistències variables. Les resistències variables són les que tenen la capacitat de variar o modificar

    el seu valor òhmic dins d’uns límits. Entre aquestes podem distingir: els potenciòmetres i les resistències dependents.

    a) Els potenciòmetres o resistències variables lineals es basen en una resistència sobre la qual llisca un contacte mòbil que, segons la posició que ocupa, pot prendre valors entre 0 i R Ω. Normalment disposa de tres terminals. El terminal central és el cursor, i els extrems s’alteren de forma que si un presenta un valor màxim, l’altre serà mínim respecte al terminal central.

    b) Les resistències dependents són operadors fabricats amb materials amb capacitat per a variar la resistència elèctrica en funció del factor de què depenen, com ara la llum o la temperatura.

    b1) Resistències depenents de la llum (LDR ) (Light Depending Resistor) varien la resistència segons la qualitat de llum que incideix, és a dir, augmenta en la foscor (algunes poden aconseguir valors superiors als 50 kΩ) i disminueix quan s’il· lumina fins aconseguir valors molt baixos ( de l’odre de 100Ω ). Aquestes resistències conten d’un cos més o meys transparent de forma circular (poden adoptar altres formes) i de dos filaments metàl·lics que serveixen d’unió al circuit.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 63 -

    b2) Les resistències depenents de la temperatura (NTC i PTC): Aquests operadors es caracteritzen perquè són capaços de variar la resistència en funció de la temperatura.

    Per a identificar una termistància s’empra el mateix codi de colors que per a les resistències fixes, de manera que les tres primeres bandes de color defineixen el seu valor resistiu teòric a una temperatura de 25ºC, mentre que la quarta ens indica la tolerància.

    Es poden classificar en dos grans grups: • Termistàncies NTC (coeficient negatiu de temperatura) en

    les quals la resistència disminueix en augmentar la temperatura.

    • Termistàncies PTC (coeficient positiu de temperatura) que augmenta la resistència en pujar la temperatura.

    Resistències dependents

    Símbols resistències dependents

    3- Condensadors.

    El condensador és un component que serveix per emmagatzemar la corrent

    elèctrica durant un curt període de temps i alliberar-les posteriorment. Està format essencialment per dues plaques metàl·liques separades per un aïllant, anomenat dielèctric: aire, paper, mica, etc.

    La característica que té el condensador d’emmagatzemar càrregues s’anomena capacitat i es mesura en Farads (F), però com que la capacitat dels condensadors que s’empren habitualment és molt menuda, s’utilitza:

    � El microfarad (µF), que correspon a la milionèsima part d’un Farad (10-6).

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 64 -

    � El nanofarad (nF), equivalent a una milionèsima part d’un Farad (10-9).

    � El picofarad (pF), equivalent a una bilionèsima de Farad (10-12).

    A més del valor de la capacitat, en la

    inscripció d’un condensador, ve el valor de la tensió màxima (Vmàx) a la que es pot connectar un condensador sense trencar-lo.

    Si el connectem a una pila es carrega, i si després el connectem, per exemple a una pereta l’encén fins que es descarrega.

    El temps que tarda en carregar-se i descarregar-se el condensador depèn de la capacitat d’aquest i de la resistència a través de la qual es descarrega, segons la següent fórmula:

    t = 5· R·C

    on t = temps (ms)

    R = resistència (Ω) C = capacitat (mF)

    Hi ha un tipus de condensadors anomenat condensador electrolític, el qual

    té per dielèctric una dissolució química. Amb aquests condensadors s’aconsegueixen capacitats elevades, però tenen alguns inconvenients com és el fet que al ser polaritzats s’han d’utilitzar en circuits de corrent continua i connectats d’acord amb la seua polaritat. (La línia indica l’ànode i, per tant, el piu més pròxim ha d’anar connectat al pol negatiu).

    4- Díodes.

    El díode és un dispositiu electrònic d’eixida fabricat a partir d’un material

    semiconductor que es caracteritza per permetre el pas de circulació del corrent elèctric en un sol sentit ànode-càtode.

    4.1 Semiconductors. Un material semiconductor és aquell que té estructura cristal· lina, i en una

    bona disposició per a deixar electrons lliures.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 65 -

    Cada àtom té en la seua òrbita externa 4 electrons que comparteix amb els àtoms adjacents formant enllaços covalents. De manera que cada àtom té 8 electrons en la capa més externa, fent al material de baixa conductivitat.

    El silici (Si) i el Germani (Ge) compleixen estes característiques. El semiconductor pur no s’utilitza, ja que resulta molt difícil aconseguir

    alliberar els seus electrons. Encara que a temperatura ambient sempre hi ha enllaços trencats que tenen als seus electrons lliures. Però es poden afegir impureses a aquest material i canviar radicalment el seu comportament.

    Si en l’estructura del semiconductor pur substituïm alguns àtoms d’aquest per altres que tinguen 3 electrons en la seua última capa, per exemple l’Indi (In), s’obté una estructura on apareix buits (h+), on falten electrons per a que el comportament siga com el del neutre. Per tant aquest material es comporta com si estiguera carregat positivament. Es denomina material semiconductor de tipus P.

    També podem substituir algun dels àtoms del material neutre, per àtoms que

    tenen 5 electrons en la seua última capa, com els del Antimoni (Sb), s’obté una estructura on queden lliures (e-) que no pertanyen a cap enllaç i de fàcil mobilitat.

    Per tant aquest material es comporta com si estiguera carregat negativament. Es denomina material semiconductor de tipus N.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 66 -

    Quan unim aquests materials (P-N) es produeix una recombinació

    d’electrons (e-) i buits (h+) en la zona d’unió apareixent una zona deserta sense portadors de càrrega lliures.

    A aquesta unió (P-N) s’anomena díode

    4.2 Polarització del díode Una característica essencial de la unió P-N és que permet el pas de corrent en

    un sentit i se oposa en el sentit contrari. Polarització Inversa.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 67 -

    La polarització de la bateria obliga als electrons (e-) del N i buits (h+) de P allunyar-se de la unió, augmentant l’ample de la zona deserta, e impedint la circulació d’electrons.

    El díode es comporta com un interruptor obert i la pereta no lluirà. Tota la tensió cau en el díode (VR).

    Polarització directa

    A l’aplicar tensió directa, es redueix la barrera de potencial de la unió, a

    causa de la polarització de la bateria, que impulsa als electrons (e-) de N i buits (h+) de P. Per tant, els electrons (e-) tendeixen a creuar la unió de N a P i els buits (h+) en sentit oposat.

    La zona deserta es redueix, i s’estableix un corrent en sentit directe ID. El díode es comporta com un interruptor tancat i la pereta lluirà. En el díode

    cau una xicoteta tensió VD i la resta sobre la pereta en aquest cas.

    Hi ha diversos tipus de díodes (com els díodes Zener que serveixen per a estabilitzar el valor del corrent invers, els díodes Varicap que actuen com a

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 68 -

    condensadors, etc.), encara que els més utilitzats són els díodes led, denominats així perquè emeten llum quan hi circula un corrent elèctric.

    Els díodes LED són els pilots de diferents colors que es poden veure en gairebé tots els aparells electrònics.

    Cada dia són les aplicacions en el camp de l’arquitectura en la il· luminació d’aparadors o en els rètols lluminosos.

    Càlculs:

    Quan es polaritza en inversa el díode deu suportar tota la tensió inversa VR a la que està sotmès (Vcc), d’una altra manera es destruiex.

    Però quan es polaritza en directa als extrems cau la tensió directa VD que és de l’ordre de 0,6 V i la resta cau en els elements que es troben en sèrie amb ell.

    Al mateix temps ha de ser capaç de suportar el corrent ID que circula per ell.

    L’equació de càlcul és:

    Vcc= Rs · ID + VD

    5- Transistors.

    Els transistors són operadors electrònics que, connectats de forma adequada

    en un circuit, poden funcionar com interruptors i amplificadors de senyals elèctrics. Són dispositius semiconductors constituïts per dos unions P-N juxtaposades,

    donant lloc a tres regions P-N-P o N-P-N, que són els dos tipus de transistors bipolars existents.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 69 -

    Transistors NPN i PNP

    El transistor consta de tres terminals anomenades: emissor (E), base (B) i col·lector (C). A la base li correspon la regió central, de gruix molt menut i escàs dopat.

    - Si és un transistor NPN, és col·loca el pol (+) al col·lector i a la base. - Si és un transistor PNP, es col·loca el pol (-) al col·lector i a la base.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 70 -

    5.1 Funcionament: Els transistor poden funcionar de tres formes distintes: en activa, en tall i en

    saturació. Analitzem el funcionament a través d’un símil hidràulic. Una canonada disposa d’una clau de pas B amb una molla de tancament la

    resistència de la qual es venç en pressionar la base B que actua com una clau de pas. L’aigua intentarà passar de l’emissor E al col·lector C. En aquesta situació pot passar el següent:

    1- Si no hi ha pressió a B (base), no es pot

    obrir la vàlvula i no es produeix pas de fluid d’E a C (funcionament en tall).

    2- Si arriba una mica de pressió a B

    (base), aquesta obrirà un tros de vàlvula i deixarà passar un poc fluid d’E a C (funcionament en activa).

    3- Si arriba prou pressió a B (base) de

    forma que obri totalment la vàlvula, es comunica E i el C i el fluid passa sense dificultat (funcionament en saturació).

    5.2 Associació de transistors. Parell Darlington. El transistor és un amplificador de corrent, ja que menudes quantitats de

    corrent que incideixen en la base permetran el pas de corrents emissor - col·lector més grans. El parell Darlington és l’associació de dos transistors per ampliar encara més el corrent. A la base d’un dels transistors es col·loca l’altre transistor.

    5.3 Muntatges. Les aplicacions del transistor són moltes, algunes d’elles són les següents: Amplificació de so: Quan introduïm la veu pel micròfon, se

    produeixen variacions de corrent en la base del transistor i aquestes variacions es veuen amplificades en el col·lector i es reproduïxen per l’altaveu.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 71 -

    Control de velocitat d’un motor, amb ajuda d’un potenciòmetre, variem la velocitat de gir de un motor de corrent continu.

    Quan el valor de resistència del potenciòmetre és gran el corrent de base és menuda i per tant el corrent del col·lector que circula pel motor és menuda i girarà lentament.

    Quan la resistència del potenciòmetre és menuda el corrent de base és gran i també és gran la del col·lector i el motor girarà més ràpid.

    Control de temperatura amb NTC, quan la temperatura supera un valor de

    consigna, indicat per la resistència ajustable, fa que el transistor conduïsca i que s’encenga el díode led. Quan la temperatura baixa s’apaga el led.

    En aquest muntatge s’aprofita la característica de les

    NTC, quan la temperatura augmenta, baixen el seu valor òhmic.

    En eixe instant la tensió en la resistència ajustable és prou gran com per a fer que el transistor passe a conducció i fer que lluïsca el led.

    Si baixa de nou la temperatura la tensió en la base del transistor baixa i deixa de lluir el led.

    En lloc d’un díode led, pot col·locar-se un motor amb ventilador o un relé que active un ventilador de 230V, el circuit serveix com a sistema automàtic que posa en marxa un ventilador quan la temperatura supera un valor.

    Control d’intensitat lluminosa amb LDR , quan la intensitat lluminosa

    ambient disminueix per davall del valor prefixat en P, s’encén la pereta.

    El muntatge és semblant al de la NTC però ara se aprofita la característica de la LDR. Quan la intensitat lluminosa augmenta, el seu valor òhmic disminueix.

    Després quan la intensitat és prou baixa, el valor òhmic de la LDR és el prou gran com perquè el transistor passe a conducció i s’encenga el led, o la pereta a través d’un relé.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 72 -

    6- Resumen de components electrònics.

    COMPONENT DESCRIPCIÓ SÍMBOL resistència fixa S’oposen al pas del corrent

    elèctric i el seu valor ve donat pel codi de colors

    potenciòmetre És una resistència variable manualment.

    LDR Resistència varia amb la llum.

    ↑llum ⇒↓R

    NTC Resistència variable amb la

    temperatura.

    ↑Tª ⇒↓R

    PTC Resistència variable amb la

    temperatura.

    ↑Tª ⇒↑R

    condensador sense

    polaritat Condensador electrolític

    (polaritzat)

    Al connectar-los a una pila emmagatzemen energia elèctrica en funció de la

    capacitat. Temps que tarda en carregar-se

    t = 5· R·C

    díode Només permet el pas del corrent elèctric en un sentit (de

    ànode A a càtode K)

    LED Díode emissor de llum

    transistor Te tres terminals: emissor (E),

    base (B) i col· lector (C). Amb un corrent menut B-E,

    controlen grans corrents C-E. Funcionament: tall, activa i

    saturació.

    relé És un interruptor que funciona per mitjà d’un electroimant.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 73 -

    ÜESTIONS:

    1- Dibuixa esquemàticament els codis de color que s’han

    d’emprar per a identificar les següents resistències.

    Codis de color 22 Ω amb una tolerància del 2%

    1270 Ω amb una tolerància del 1% 470 Ω amb una tolerància del 20% 30 Ω amb una tolerància del 5%

    3500 Ω amb una tolerància del 10% 200 Ω amb una tolerància del 20%

    2- Completa la següent graella de resistències fixes:

    Resistència fixa

    1ra franja

    2na franja

    3ra franja

    4ta franja

    valor nominal valor màxim

    valor mínim

    1 roig negre marró or 2 blau verd roig plata 3 violeta roig blau plata 4 taronja gris negre or 5 430000 Ω +/- 5% 6 25 Ω +/- 10% 3- Indica el valor en codi de color de les següents resistències:

    Valor 1ra xifra 2na xifra multiplicador tolerància 110Ω ± 5% 330Ω ± 10% 5600Ω ± 5%

    47000Ω ± 20% 4- Completa el valor de cada resistència:

    1ra xifra 2na xifra multiplic.. tolerància valor V màx. V mín. taronja taronja roig sense color verd blau taronja or Gris roig marró plata

    marró roig marró or 5- En un aparell electrònic hi ha un circuit sèrie format per tres resistències: R1,

    R2,R3. De les dues primeres coneixem les franges de color; a la tercera no es veuen bé. Calculeu el valor d’aquesta resistències sabent que la tensió d’alimentació és de 10V i que la caiguda de tensió a l’esmentada resistència és de 2,9V. R1 = roig – violeta – negre - or R2 = marró – negre – negre - or

    Q

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 74 -

    6- Calcula el valor nominal (en ohms i quilo ohms) i els valors límits entre els quals hi ha el valor d’una resistència fixa amb el colors següents: marró – negre - roig i or.

    7- Què tenen en comú una LDR, una PTC i una NTC? Indica el funcionament dels elements anteriors.

    8- Què és un potenciòmetre? 9- En el següent circuit , Què li ocorrerà a la pereta quan es fase de dia?

    10- En el següent circuit , Què ocorreix quan la temperatura de l’habitació puga?

    11- Calcula el temps de càrrega i descàrrega d’un condensador de 22000 µF amb

    una resistència de 56 Ω a la càrrega i una resistència de 180 Ω a la descàrrega. 12- Calcula el temps que tardarà en carregar-se un condensador de 4700µF que està

    en sèrie amb una resistència de 1000Ω. 13- Quant de temps lluirà una pereta que es connecta al condensador una vegada

    carregat si la pereta té 2000 Ω de resistència? 14- Indica que peretes lluen i quals no en els següents circuits. Explica per què ho

    fan. a) b) c) d)

    15- Quin és el corrent que circularà per la pereta si la resistència és de 180Ω i la

    tensió d’alimentació és de 12V?

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 75 -

    16- Calcula la resistència de limitació que hem de col·locar per protegir el díode LED que té els següents paràmetres (VD= 1,8V, ID= 25mA), quan el connectem a 5V.

    17- Quin és el corrent que circularà per la pereta si

    la resistència és de 15Ω i la tensió d’alimentació del circuit és de 6V?

    18- Calcula la resistència de limitació que hem de col·locar per protegir el díode

    LED si el connectem a 9 V (dades: VD= 1,5V, ID= 35mA). 19- Calcula la resistència de limitació que hem de col·locar

    20- Defineix que és el transistor, el seu símbol, indicant els terminals i explica els

    estats possibles de funcionament. 21- Explica el funcionament del següent circuit.

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 76 -

    22- Completa la següent graella amb les següents paraules

    Potenciòmetre, NTC, PTC, LDR, Condensador, díode, díode LED, transistor.

    Símbol Nom +t

    -t

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 77 -

    23- Analitza el funcionament del següents circuits a la llibreta i després verifica’ls amb un simulador de circuits a l’aula d’informàtica.

    a) b) c)

    d) e)

    f) g)

    h) i)

  • IES L’Assumpció Departament de Tecnologies www.ieslaasuncion.org Susana Gil

    - 78 -

    j) k)

    24- sjhfl