Embedded Files
En cursos anteriors has estudiat diferents tècniques basades en fenòmens elèctrics, com l’estudi dels circuits elèctrics bàsics, la producció i la generació d’electricitat i les màquines elèctriques més habituals. Totes aquestes tècniques s’engloben dins del que s’anomena electrotècnia, que té com a objectius fonamentals la producció, distribució i utilització de l’energia elèctrica.
Correlativa a l’electrotècnia hi ha una altra tecnologia, l’electrònica, les aplicacions de la qual són, actualment, imprescindibles en qualsevol àmbit productiu o social, sobretot en el de les comunicacions.
Els objectius bàsics de l’electrònica són el tractament i la transmissió, no d’energia, sinó d’informació a partir de senyals elèctrics generalment febles, basats en el moviment dels electrons en el buit, en gasos o en sòlids.
Cal que tinguis present que a l’electrònica també li són d’aplicació tots els principis i lleis de l’electricitat.
1. Història i evolució
En el desenvolupament històric de l’electrònica podem destacar, principalment, tres etapes ben diferenciades: l’electrònica de les vàlvules termoiòniques de buit, l’electrònica dels transistors i l’electrònica dels circuits integrats.
L’origen de l’electrònica se sol situar a finals del segle XIX, quan l’any 1883 Thomas A. Edison va descobrir l’efecte termoiònic, en observar que quan s’escalfava un material metàl·lic es produïa una emissió d’electrons. J. A. Fleming va aprofitar aquest descobriment per construir, el 1904, la vàlvula de buit, amb la qual va detectar senyals de radio.
Les vàlvules termoiòniques de buit, semblants a les làmpades d’incandescència i fonamentades en l’emissió d’electrons de part d’un material incandescent, són considerades el primer component electrònic i van afavorir nous descobriments: la ràdio, la televisió, el radar, el control de sistemes, la construcció del primer ordinador (anomenat ENIAC) el 1941. Però no va ser fins al 1948 que començaren a ser substituïdes per díodes i transistors fabricats amb materials semiconductors, com el silici o el germani.
La utilització dels díodes i transistors va representar un important salt qualitatiu en l’electrònica, atès que gaudien d’avantatges considerables: eren més sòlids i robusts, més resistents als cops, d’un volum molt més reduït, d’una vida útil més llarga i milloraven el tractament del senyal. Els dos principals inconvenients que tenien, d’inici, eren la sensibilitat als canvis de temperatura i, també, que no podien subministrar potències elevades.
El 1960 va aparèixer el primer circuit integrat (xip), la qual cosa va permetre miniaturitzar encara més els equips electrònics. El 1971 l’empresa Intel va fabricar el primer xip microprocessador i va donar un nou impuls al progrés tecnològic i a la investigació en electrònica.
Tots aquests avenços de l’electrònica han estat fonamentals per al desenvolupament de diferents camps d’aplicació industrial i domèstica: automatització, control i regulació de processos, informàtica, robòtica, telecomunicacions, transports, electromedicina, investigació científica i espacial, làser, electrònica de consum, electroacústica, etc.
2. Corrent altern i corrent continu
Sens dubte, el progrés tecnològic del darrer segle és degut en bona part a l’electricitat. Com has estudiat en cursos anteriors, hi ha dos tipus de corrent elèctric: el corrent continu i el corrent altern.
Com recordaràs d’altres unitats, en el corrent continu el desplaçament d’electrons es fa sempre en el mateix sentit, amb una tensió i intensitat constants en el temps. És el corrent que proporcionen, per exemple, les piles i les bateries. En canvi, el corrent altern és un corrent variable: les principals magnituds que el defineixen, tensió i intensitat, canvien contínuament de valor i de sentit. És el corrent que es fa servir majoritàriament, tant als habitatges com a les indústries. Quan connectem un aparell a un endoll li estem subministrant corrent altern.
Tot i que el corrent altern va guanyar la batalla al corrent continu pels seus avantatges pel que fa a producció, transport i distribució, el corrent continu és el que fem servir als circuits electrònics, circuits que tenen aparells com ordinadors, consoles, mòbils,etc.
3. Components del circuit elèctric.
El disseny, la fabricació i l’anàlisi de circuits electrònics és l’objectiu de l’electrònica. El conjunt d’elements que integren aquests circuits s’anomenen components electrònics, els quals es poden classificar en actius i passius.
Els components electrònics passius són aquells que, per si sols, no són capaços d’amplificar o generar senyals elèctrics, és a dir, que actuen com a càrregues (elements receptors d’energia elèctrica), de manera que permeten reduir o ajustar el senyal elèctric del circuit. Alguns exemples són els resistors, els condensadors i les bobines.
Els components electrònics actius, en canvi, són capaços de generar, modificar i amplificar el valor del senyal elèctric. Són producte del descobriment dels materials semiconductors, com el silici i el germani. En destaquen els díodes i els transistors, que per la seva importància estudiarem en els propers apartats.
3.1. Components electrònics passius.
Tenim en aquest grup els resistors, condensadors i bobines.
3.1.1 Els resistors:
És molt habitual trobar resistors en els circuits electrònics. Es fan servir, sobretot, per limitar la intensitat del corrent elèctric en un punt determinat del circuit o per dividir el valor total de la tensió.
Els resistors són components passius que ofereixen una determinada resistència al pas del corrent elèctric. Hi ha una gran varietat de resistors.
Tipus de resistors: Els resistors es classifiquen en dos tipus: resistors fixos i variables.
Resistors fixos: Són aquells resistors que tenen un valor de resistència fixe, es mesura en ohms (Ω), pot estar escrit directament a la cara exterior del component, tot i que, generalment, es determina a partir d’un codi internacional de colors.
Per practicar : El codi de colors dels resistors
Resistors variables: Són aquells que tenen un valor ohmnic que pot variar. Si varien de forma manual, s'anomenen lineals, si el seu valor ohmnic varia en funció d'altres magnituds, reben el nom de no lineals.
Els potenciòmetres o reòstats són resistors variables lineals que es poden graduar manualment. Serveixen, per exemple, per variar el volum d’un aparell de música, la intensitat de llum d’una bombeta o la velocitat d’un motor.
Hi ha altres components electrònics resistius, anomenats genèricament resistors no lineals, el valor de resistència dels quals és variable i depèn de les variacions de determinades magnituds com la llum o la temperatura.
Un resistor LDR (notació anglesa: Light-Depending Resistor, resistència dependent de la llum) és sensible a la intensitat de llum que rep. La resistència varia segons la llum que hi incideix; com més llum, menor resistència.
Un resistor NTC (notació anglesa: Negative Temperature Coefficient Resistor, resistència de coeficient de temperatura negatiu), en canvi, varia amb la calor; té un coeficient de temperatura negatiu, és a dir, quan augmenta la temperatura en disminueix la resistència.
El resistor PTC (notació anglesa: Positive Temperature Coefficient Resistor, resistència de coeficient de temperatura positiu) es comporta de manera contrària a un NTC; incrementa la seva resistència en augmentar la temperatura.
Resistors NTC
Resistor LDR
3.1.2. Els condensadors
En electrònica de vegades és necessari disposar de components capaços d’emmagatzemar electricitat temporalment i descarregar-la de cop en un determinat instant; per exemple, el flaix d’una màquina fotogràfica. Aquests components són els condensadors. El condensador és un component que serveix per emmagatzemar temporalment càrregues elèctriques sobre una superfície relativament petita.
La constitució interna d’un condensador està formada bàsicament per dues plaques metàl·liques paral·leles, anomenades armadures, separades per un material aïllant (paper, ceràmica, polièster, mica, plàstic, etc.), anomenat dielèctric. La seva capacitat depèn de la superfície de les plaques, la distància que les separa i el tipus de dielèctric emprat.
Condensador ceràmic
Condensador d'alumini
La capacitat d’emmagatzematge d’un condensador és la relació entre la càrrega elèctrica que rep i la diferència de potencial que adquireix. Es mesura en farad (F) en el Sistema Internacional (SI). Com que es tracta d’una unitat de valor molt elevat, a la pràctica s’utilitzen submúltiples. ( microfarad (μF) 1μF=10-6F , nanofarad (nF) 1nF=10-9F i picofarad (pF) 1 pF=10-12F .
Temps de càrrega d’un condensador: El producte RC s’anomena constant de temps. El temps de càrrega és el temps que triga un condensador en arribar als 2/3 de la seva tensió quan es carrega a través d'una resistència.
t=R∗C
Calculem el temps que trigarà en carregar-se el condensador del circuit:
A l’hora de fer servir un condensador cal tenir presents, essencialment, dues característiques: el seu valor de capacitat i la tensió que suporta el dielèctric del condensador. Per sobre d’aquest valor el condensador es fa malbé. Els condensadors són, després dels resistors, els components electrònics més utilitzats. Es fan servir, entre altres aplicacions, en fonts d’alimentació, en filtres electrònics i en circuits de sintonització de senyals de radiofreqüència. Pràcticament tots els aparells electrònics empren condensadors: ordinadors, telèfons mòbils, televisors, MP3, etc.
3.1.3. Les bobines
Una bobina és un component format per un conductor elèctric aïllat i enrotllat sobre una superfície cilíndrica que serveix per crear un camp magnètic quan hi circula un corrent elèctric. Les bobines són presents en infinitat de dispositius i aplicacions: motors elèctrics, filtres electrònics, aparells de ràdio, televisors, etc.
Cada bobina, en funció de les especificacions constructives, tindrà unes determinades característiques magnètiques i elèctriques. La magnitud que determina aquest comportament per a cada bobina s’anomena coeficient d’autoinducció o inductància. La seva unitat en el SI és l’henry (H).
Una aplicació interessant de les bobines, és en la confecció de relés. El relé és un interruptor elèctric que s’acciona per mitjà d’un electroimant. Està format per una bobina que, quan hi circula un corrent elèctric, atreu una làmina metàl·lica que acciona un contacte, el qual s’obre o es tanca. Quan el corrent deixa de circular per la bobina de l’electroimant, una molla fa retornar la làmina metàl·lica i el contacte a la seva posició original.
El corrent que circula per la bobina del relé rep el nom de corrent de maniobra o de comandament, mentre que el que circula pel segon circuit (és a dir, pels contactes) rep el nom de corrent principal o de potència. Per exemple, un relé de 9 volts de CC el podem accionar fent servir una pila de 9 volts per al circuit de maniobra; en canvi, en el circuit de potència, a través dels contactes del relé, podem connectar una bombeta de 230 volts de corrent altern.
3.2. Components electrònics actius
Dins d'aquest grup de components, tenim els díodes i els transistors.
3.2.1. Els díodes
Els díodes són uns components electrònics actius que permeten el pas del corrent en un únic sentit. Es fonamenten en les propietats físiques que presenten els semiconductors, uns materials sòlids que, en la taula periòdica dels elements, tenen una valència electrònica de 4 i que a temperatura ambient tenen una resistència que es troba entre els materials aïllants i els materials conductors.
El díode es basa en la unió de dos materials semiconductors, silici o germani, un de tipus P i un altre de tipus N. Al de tipus P, s’hi afegeix un determinat nombre d’impureses (elements de valència 3, com el bor) capaces d’acceptar electrons. Al de tipus N, en canvi, s’hi afegeixen impureses (elements de valència 5, com el fòsfor) capaces de cedir electrons. Aquest procés d’afegir impureses a un material semiconductor s’anomena dopatge.
El díode és segurament el component semiconductor més senzill. Té dos terminals, anomenats ànode (zona P) i càtode (zona N). Si es connecta el born positiu d’una pila o font d’alimentació a l’ànode i el negatiu al càtode, el díode condueix (estat de conducció) i permet el pas del corrent a través seu. Quan es troba en aquest estat, el díode està en polarització directa i podem dir que es comporta com un interruptor tancat.
Si invertim la polaritat, el positiu el connectem al càtode i el negatiu a l’ànode, el díode no condueix (estat de blocatge) i no permet el pas de corrent a través seu. El díode es troba en polarització inversa i es comporta com un interruptor obert.
Els díodes són molt utilitzats en fonts d’alimentació com a rectificadors, és a dir, per convertir en corrent continu el corrent altern de la xarxa elèctrica. També s’utilitzen en circuits limitadors, en funcions lògiques i com a elements de protecció.
En el díode cal destacar dos valors límits importants que és convenient respectar per no fer-lo
malbé: el corrent directe màxim (IFmàx), que és la màxima intensitat que pot suportar el díode en polarització directa, i la tensió inversa màxima (VAKr), que és la màxima tensió que pot suportar el díode quan es troba en polarització inversa i no condueix.
El càtode d’un díode s’identifica a simple cop d’ull, perquè té inscrit algun tipus de marca, normalment una línia o franja circular. Amb un òhmmetre també es poden identificar els terminals d’un díode, atès que la seva resistència en polarització directa és molt menor que en polarització inversa.
Circuit equivalent d'un díode:
A l'hora de resoldre circuits amb díodes, quan aquests estan en polarització directa es poden substituir per una caiguda de tensió que correspon a la seva tensió llindar (0,3V o 0,7V) i una resistència interna.
El díode LED:
Hi ha un tipus especial de díode, anomenat díode LED (Light Emitting Diode, o díode emissor de llum), molt popularitzat i utilitzat, que té com a característica principal l’emissió de llum quan condueix.
El LED és un component electrònic que emet llum quan és travessat per un corrent elèctric.
Es tracta d’un díode semiconductor, semblant a efectes electrònics al que has estudiat, però que té la propietat de transformar l’energia elèctrica en energia lluminosa.
Els LED més usuals funcionen amb intensitats compreses entre 10 i 30 mA. La llum que desprenen depèn de la seva intensitat. Es poden connectar a qualsevol tensió, sempre que no se sobrepassi el màxim corrent directe i la màxima tensió inversa que poden suportar. És per això que sempre es connecten amb un resistor en sèrie que té la funció de limitar la intensitat de corrent que travessa el LED. Considerant que els LED tenen una caiguda de tensió entre ànode i càtode d’aproximadament 1,6 volts, el valor en ohms del resistor limitador per a una intensitat de 20 mA (0,020A) es calcula de la manera següent:
Per tant, per a una tensió de 9 volts, el resistor limitador de corrent haurà de ser d’uns 370 ohms. Si no existeix comercialment el valor de resistència calculat, utilitzarem l’immediatament superior.
Hi ha una gran varietat de LED de diversos colors (vermell, groc, verd, blau, blanc...) i amb formes diferents (rodons, rectangulars, triangulars...). També s’utilitzen per construir indicadors numèrics, com els anomenats indicadors de set segments, que s’apliquen àmpliament en dispositius i instruments electrònics.
Els LED tenen múltiples aplicacions. Són molt emprats en aparells diversos (televisors, vídeos, ordinadors, equips de música, rentadores, càmeres fotogràfiques, carregadors de bateries, etc.) per indicar l’estat de funcionament.
També s’utilitzen en semàfors, llums de fre i indicadors de direcció de vehicles, rètols lluminosos, pantalles de gran format, i en comandaments a distància que serveixen per emetre llum de freqüència no visible i raigs làser en lectors òptics de CD i DVD.
3.2.2. Els transistors
El transistor és un component electrònic format per material semiconductor que consta de tres parts ben diferenciades: emissor (E), base (B) i col·lector (C). Físicament, la base sempre està enmig de l’emissor i el col·lector. La combinació d’aquestes parts de semiconductor de classe P o N dóna lloc a dos tipus de transistors: transistor NPN i transistor PNP.
El transistor, per tant, és una espècie de sandvitx entre capes de material semiconductor de signe oposat (P o N). La zona intermèdia és la base i, les dues extremes, l’emissor i el col·lector. Amb l’aplicació d’un petit corrent a través de la unió base-emissor, s’estableix un corrent molt més gran entre la unió col·lector-emissor. El poder amplificador del transistor es basa precisament en el fet que febles variacions de corrent entre la base i l’emissor controlen fortes variacions entre l’emissor i el col·lector. Bàsicament, la intensitat de base és la que controla l’estat del transistor. El seu valor és molt petit en relació amb la intensitat de col·lector i emissor.
Per tant, en un transistor podrem establir dos circuits: el circuit de govern o comandament i el circuit principal o d’utilització. En el circuit de comandament amb un transistor NPN, el corrent entra per la base i surt per l’emissor. Fixeu-vos en el símbol, on la fletxa indica el sentit del corrent. En el circuit d’utilització hi arriba pel col·lector i hi surt per l’emissor. La intensitat de base és molt petita en relació amb les intensitats de col·lector i d’emissor. Algunes aplicacions del transistor en mode commutació són els sistemes digitals, molts tipus d’automatismes, etc.
En un transistor NPN, la intensitat d’emissor IE és igual a la suma de les intensitats de base IB i de col·lector IC : IE = IB + IC
En un transistor, si considerem que la intensitat de base IB actua com a corrent d’entrada i la intensitat de col·lector IC com a corrent de sortida, podem establir una relació entre aquestes dues intensitats: IC = IB · β, on el paràmetre multiplicador β, anomenat guany de corrent, ens indica la capacitat d’amplificació de corrent del transistor per un determinat punt de treball. En alguns manuals, el guany de corrent s’anomena hFE.
Fonamentalment, el transistor pot funcionar de dues maneres diferents: en commutació i en mode lineal.
El mode no lineal o en commutació del transistor es caracteritza perquè només es fan servir dos estats ben definits:
- Estat obert, de bloqueig o de no-conducció (OFF). La resistència entre els terminals emissor-col·lector del transistor és molt alta o infinita, actua com un interruptor obert.
- Estat tancat o de conducció màxima (ON). La resistència col·lector-emissor és pràcticament zero, actua com un interruptor tancat.
El funcionament del transistor en aquesta forma de treball és semblant al d’un interruptor, té dos únics estats ben definits: obert i tancat. Mentre en un interruptor el seu estat es controla manualment, accionant una palanca o basculant, en el transistor, el seu estat es governa elèctricament a través del terminal de la base. L’anomenat interruptor del transistor està constituït pel circuit format pels terminals col·lector-emissor. També es pot fer l’analogia del transistor treballant en commutació amb un relé. El circuit de comandament (base-emissor) en un relé és la bobina, i el circuit d’utilització (col·lector-emissor) són els terminals del contacte normalment obert del relé.
El mode lineal del transistor es caracteritza perquè les intensitats i tensions de sortida (de col·lector-emissor) són funció de les intensitats i tensions d’entrada (de base-emissor), les quals poden adoptar múltiples valors i punts de treballs. Per tant, aquest mode de treball del transistor permet, per exemple, regular gradualment la lluminositat d’una bombeta, la velocitat d’un motor de CC o el volum d’un amplificador. És un sistema encara molt utilitzat, especialment en sistemes analògics (no digitals), com ara amplificadors, aparells de mesura analògics, reguladors, aparells de ràdio i televisió, etc.
4. Circuits electrònics bàsics
Ja coneixem els diferents elements que formen un circuit electrònic, resistors, condensadors, díodes i transistors. Ara veurem diferents circuits bàsics aplicats a circuits reals.
4.1. Circuit regulador de llum amb potenciòmetre i transistor
En aquest circuit simple el transistor funciona en mode lineal, però en aquest cas no només encendrem i apagarem la bombeta, sinó que a més podrem regular-ne la intensitat lluminosa a voluntat nostra. A través del potenciòmetre podem regular la intensitat de base. El transistor, en funció d’aquest corrent de base, regularà el corrent del col·lector, que és el que travessarà la bombeta i generarà una lluminositat determinada.
Quan el cursor del potenciòmetre està situat a l’extrem inferior o esquerre (a prop del pol negatiu), el corrent de base és pràcticament zero i el transistor no condueix. Quan movem el cursor cap a l’altre extrem (a prop del pol positiu), la intensitat de base augmenta i el transistor condueix cada cop més, i fa que la lluminositat de la bombeta augmenti progressivament. Quan el cursor es troba a l’extrem superior o dret, la intensitat de base i la conducció del transistor són màximes, i la bombeta il·lumina amb la màxima intensitat.
Amb aquest circuit també podríem regular la velocitat d’un petit motor de CC, sempre que el consum no superi la intensitat màxima de col·lector ICmax del transistor. En el BC337, la ICmax és de 0,5A.
Circuit detector d'humitat: Aquest circuit detecta fuites d'aigua. Si entre els elèctrodes hi ha humitat, circula una mica de corrent i això permet que s'activin els transistors i encengui la bombeta. Tenim dos transistors en muntatge Darlington multiplicant els seus guanys.
Circuit amplificador de so: Connectem la base i emissor del transistor a una guitarra i el col·lector i l'emissor a un altaveu amb voltatge superior. Les ones de so es multifliquen en funció del guany del transistor.
4.2. Circuit temporitzador
Una altra aplicació electrònica bàsica és la que mostra el circuit de la figura. Es tracta d’un senzill circuit temporitzador retardat a la connexió, gràcies a un condensador. Un circuit temporitzador és aquell que actua en funció del temps. Per tant, en aquest circuit, en prémer el polsador, es produirà un retard de temps abans no condueixi el transistor i s’encengui el LED.
Inicialment el condensador C està descarregat i el transistor es troba en estat de blocatge (OFF). En donar tensió al circuit, el condensador C s’anirà carregant a través del resistor R1, fins que arribarà un moment que la tensió en extrems del condensador tindrà un valor suficient per fer conduir el transistor i encendre el LED. Per tornar a activar el temporitzador, només caldrà prémer el polsador, el qual descarregarà el condensador, apagarà el LED i posarà el transistor en estat de blocatge. En deixar de prémer el polsador es repetirà l’operació de temporització descrita anteriorment.
4.3. Circuit d'encesa automàtica d'un fanal amb una LDR
En l'esquema següent, podem diferenciar dos circuits: el circuit de control , de corrent continu 9V, format per la pila, LDR, transistors, led , díode, resistors, potenciòmetre i la bobina del relé; i el circuit de potència, de corrent altern 230V, format pels contactes del relé i la bombeta del fanal.
Al circuit de control, els dos transistors estan en muntatge Darlington, l'emissor del primer alimenta la base del segon, així aconseguim incrementar la sensibilitat del circuit, ja que els guanys dels transistors es multipliquen. Si els dos transistors tenen un guany de 100, en muntatge Darlington tenen un guany de 100·100=10.000. Aquests transistors fan la funció d'interruptor automàtic de la llum del fanal.
La LDR disminueix la seva resistència quan surt el Sol, per tant el corrent baixa per la seva branca, i no alimenta la base dels transistors, i per tant, no pot passar corrent per la bobina del relé. En el moment que el Sol es pon, augmenta la resistència de la LDR, permitent que arribi corrent a la base del transistor, i per tant a la bobina del relé. Aquest activa els contactes i permet encendre la bombeta del fanal.
El LED només te una funció informativa, indicant que el circuit està actiu. El potenciòmetre te la funció de poder regular la quantitat de llum necessària per activar el circuit. Les resistències tenen funció protectora, les de 300 protegeixen els transistors i el LED, la de 2700 protegeixen la LDR. El díode protegeix tot el circuit, evitant que es pugui cremar pel corrent invers que genera la desconnexió de la bobina del relé.
4.4. Circuit termòstat d'un ventilador
Igual que en el circuit anterior, aquí també tenim dos circuits. Al circuit de control, la NTC disminueix la seva resistència quan augmenta la calor, i per tant deixa passar corrent a la base dels transistors, activant el relé, i per tant encenent el motor del ventilador.
4.5. Circuit rectificador d'ona
Aquest circuit transforma el corrent altern en corrent continu. Per fer això necessitem un pont de díodes (també anomenat Pont de Graetz). Consisteix en l'associació de quatre díodes, tal i com es veu a la figura.
Com que el díode només deixa passar el corrent en un sentit, el resultat és l'ona de corrent tota en el mateix sentit. Per poder transformar el corrent en continu, afegir un condensador i díode zener en paral·lel, i un resistor en sèrie.
4.6 . Pont de Wheatstone
Un pont de Wheatstone és un instrument elèctric de mesura inventat per Samuel Hunter Christie el 1832, millorat i popularitzat per Sir Charles Wheatstone a 1843. S'utilitza per mesurar resistències desconegudes mitjançant l'equilibri dels braços del pont. Aquests estan constituïts per quatre resistències que formen un circuit tancat, una de les quals la resistència sota mesura.
La Figura 1 següent mostra la disposició elèctrica del circuit i la Figura 2 correspon a la imatge real d'un pont de Wheatstone típic. A la Figura 1 Rx és la resistència el valor volem determinar, R 1 , R₂ i R₃ són resistències de valors coneguts, a més la resistència R₂ és ajustable. Si la relació de les dues resistències del braç conegut (R 1 /R₂) és igual a la relació de les dues del braç desconegut (Rx/R₃), el voltatge entre els dos punts mitjans serà nul i per tant no circularà corrent algun entre aquests dos punts C i B .
Per efectuar la mesura el que es fa és variar la resistència R₂ fins a arribar al punt d'equilibri. La detecció de corrent nul es pot fer amb gran precisió mitjançant el galvanòmetre A.
La direcció del corrent, en cas de desequilibri, indica si R₂ és massa alta o massa baixa. El valor de la FEM (E) del generador és indiferent i no afecta la mesura.
Quan el pont està construït de manera que R₃ és igual a R₂, Rx és igual a R1 en condició d'equilibri. (corrent nul pel galvanòmetre).
Així mateix, en condició d'equilibri sempre es compleix que:
Rx=(R1×R3)/R2
Si els valors de R 1 , R₂ i R₃ es coneixen amb molta precisió, el valor de Rx pot ser determinat igualment amb precisió. Petits canvis en el valor de Rx trencaran l'equilibri i seran clarament detectats per la indicació del galvanòmetre.
De forma alternativa, si els valors de R 1 , R₂ i R₃ són coneguts i R₂ no és ajustable, el corrent que flueix a través del galvanòmetre pot ser utilitzat per calcular el valor de Rx d'aquesta manera procediment més ràpid que ajustar a zero el corrent a través del mesurador.
Figura 1.-Disposició del Pont de Wheatstone.
Figura 2 .- Imatge d'un Pont de Wheatstone típic.
5. Càlculs bàsics en l'electrònica analògica
5.1. Càlculs amb díodes
A l'hora de fer càlculs amb díodes, hem de tenir en compte que podem substituir el díode per una font de tensió (que s'oposa a la tensió del circuit) de valor la tensió llindar del díode, i una resistència en sèrie, de valor la resistència interna del díode.
Exemple:
Els dos circuits serien equivalents. Per resoldre ho faríem aplicant la segona llei de Kirchhoff:
4,5V - 0,7V = I · 710 Ω
I = 3,8 / 710 = 5,3 mA
5.2. Polarització d'un transistor
Hi han molts circuits diferents per treballar amb transistors. La principal manera és en emissor comú, amb dos circuits típics: circuit amb polarització fixa i circuit amb polarització universal.
5.2.1. Circuits amb polarització fixa
Si el transistor és de Silici, la seva VBE=0,7 V (0,3V si és de germani). Ara, tal i com vam veure a la teoria, podem expressar les intensitats d'emissor i col·lector en funció de la intensitat de base:
Ara, apliquem a les dues malles que tenim al circuit la 2a llei de Kirchhoff: Vcc=RcIc + Vce + Ie i Vcc=RbIb + Vbe + Ie
En aquest altre circuit les equacions quedarien així:
Va = RbIb + Vbe + ReIe i Vcc= RcIc + Vce + ReIe
Si expressem Ic i Ie en funció de Ib, i substituïm Vce per 0,7V, tindrem dues equacions amb dues úniques incògnites: Ib i Vce.
EXEMPLE:
El transistor te un guany de 100, per tant, Ic=100·Ib i Ie=101·Ib
Les dues equacions restarien així:
12V= 100·Ib·350 + Vce + 101·Ib·100
12V= Ib·270000 + 0,7V + 101·Ib·100
Aïllem i tenim que Ib dóna un valor 40,34µA, i per tant Ic serà 4mA.
La tensió Vce del transistor serà de 10,18V
5.2.2. Circuits amb polarització universal
Aquest tipus de circuit són una mica més complicats, per Kirchhoff ens quedarien tres equacions amb tres incògnites, però normalment simplifiquem els càlculs dient que Ib << Ic, i per tant aproximem a Ib=0, i per tant ,tindrem prou trobant la intensitat del divisor de tensions.
Al següent exemple, ho calcularem sense simplificar:
EXEMPLE:
El transistor te un guany de 150, per tant, Ic=150·Ib i Ie=151·Ib. La tensió Vbe=0,7V
Les tres equacions que es plantegen, restarien així:
9V= Id1·50000 + Id2·20000
9V= Id1·50000 + Ib·10000 + 0,7V + 151·Ib·100
9V= 150·Ib·350 + Vce + 151·Ib·100
Com que Id1 = Id2 + Ib, aïllem Id2 i ho substituïm a la primera equació, deixant Id1 en funció de Ib, restant:
Id1 = (9+20000Ib)/70000 , això ho substituïm a la segona equació, podent aïllar Ib, obtenint:
Ib = 57µA (amb el coodrile ens dona 48,2µA, ja que agafa tots els decimals per calcular).
Ara ja podem trobar la resta d'intensitats i la Vce, que ens dóna 5,14V
EXERCICIS:
Page updated
Report abuse