U1 L'electrònica analògica

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, 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.

Així mateix, quan parlem de circuits elèctrics, ens referim generalment a circuits d'instal·lacions elèctriques domèstiques o industrials, amb la característica d'un corrent altern, que circula d'un valor entre 0,1 i 50 A i . Ens referim a circuits electrònics, a circuits de corrent continu, amb corrents elèctrics de l'ordre dels miliampers (0,001 a 0,01 A), habitual als aparells electrònics.

1. El circuit elèctric

Un circuit elèctric és un conjunt d’elements actius (que proporcionen energia)  i passius (que dissipen energia) connectats entre si de manera que permetin el pas del corrent elèctric permanentment perquè existeixi una transferència d’energia. 

Els circuits elèctrics es representen mitjançant esquemes, en els quals cada element es representa amb un símbol específic. El circuit elèctric elemental està format per un generador, un receptor i uns conductors.

El generador crea i manté el corrent elèctric, el receptor el rep i el transforma en un altre tipus d’energia i els conductors permeten el pas del corrent del generador al receptor i del receptor al generador, de manera que es tanca el circuit. És habitual que els circuits es puguin governar i protegir de possibles anomalies; per aquesta raó disposen d’aparells de comandament i de protecció, respectivament.

2. Magnituds elèctriques

Per tal d’estudiar i quantificar els fenòmens elèctrics, farem un repàs de les principals magnituds i com es relacionen entre si.

3. Càlculs bàsics en circuits de corrent continu

3.1. Associació d'elements en sèrie

La potència que cada font d'alimentació subministra al circuit es calcula multiplicant el corrent que passa per ella pel voltatge que aporta la font.

                                 Pv1=V1·Iv1

3.2. Associació d'elements en paral·lel

3.3. Associació mixta d'elements

Exemple:

Exemple 1:   En el següent circuit, les tres resistències són de 5  i  el wattímetre dona un valor de 10 W.  Calcular el corrent que circula, el voltatge de la pila i la potència que la pila subministra al circuit.

Exemple 2:  Calculeu les mesures als amperímetres A1 i A2, i  del wattímetre W1

4. 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.

4.1. Components electrònics passius.

Tenim en aquest grup els resistors, condensadors i bobines.

4.1.1 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.

La resistència específica d’un material rep el nom de resistivitat (ρ) i es defineix com la resistència que ofereix al pas del corrent un conductor d’aquest material d’1 m de longitud i d’1 m2 de secció.  La resistència elèctrica, R, d’un conductor és directament proporcional a la seva longitud, inversament proporcional a la seva secció, i depèn de la seva resistivitat, ρ.

• 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 i 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.

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.

4.1.3. 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.

4.2. Components electrònics actius

Dins d'aquest grup de components, tenim els díodes i els transistors.

4.2.1. 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.

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: 

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.

4.2.2. 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       IE = IB + (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.

Càlculs de 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.

 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

5. 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.

5.1. 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 és molt similar a l'anterior. Podem substituir els resistors de la base, per un potenciòmetre.

5.2. 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.

5.3. 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.

5.4. 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.

5.5. 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.